稀土铈基环境催化材料

我国的稀土总储量占世界总储量的五分之一以上，并以镧、铈等轻稀土矿为主。随着钆、钇等中、重稀土材料在永磁、冶金、荧光粉等领域的迅速发展，铈和镧等高丰度轻稀土元素的大量积压，造成稀土资源利用的严重失衡。因此，要实现稀土资源的高质、高效利用，解决好高丰度稀土元素（例如，铈）的利用问题十分重要。研究发现，铈元素由于其独特的4f电子层结构，是稀土元素中最活泼的金属，在化学反应过程中表现出良好的催化性能。因此，将铈用作催化材料是综合利用稀土资源的有效途径。本书系统地阐述了稀土铈基催化材料在大气、水污染控制领域中的应用，对于轻稀土资源的高质、高效利用及治理我国环境污染均有着重要意义。
本书从稀土铈基材料的结构特征出发，以催化控制主要大气污染物为研究对象，力求系统、全面地阐述铈基催化材料在大气污染物催化控制中的工作原理、研究方法和最新应用进展，此外还介绍了稀土铈基催化材料在废水催化净化中的应用。对于从事催化化学、环境科学与工程的科技人员及在校研究生有较好的参考价值。
全书共分7章。第1章概述，介绍了稀土元素的概念，氧化铈的晶体结构、酸碱性、储释氧性能，在几类大气污染物催化净化中的应用，并提出了氧化铈在催化材料领域的应用研究方向。第2章稀土铈基催化材料的制备，首先从铈盐在水中的解离络合和热分解化学两方面介绍稀土铈基催化材料制备的科学基础，接着详细介绍了纯CeO2和复合CeO2催化材料的制备方法，最后对稀土铈基催化材料的后处理制备做了简要介绍。第3章稀土铈基催化材料的表征方法，对影响该材料反应性能的储释氧能力、氧空位浓度及酸碱性等重要特征参数的表征方法进行了详细阐述，同时辅以实例，加深对催化剂“构效关系”的认识。第4章稀土铈基催化材料在移动源尾气催化消除中的基础应用，针对移动污染源的排放特点，重点探讨了稀土催化剂的组成、结构、性质之间的关系及其在该催化净化中的应用。第5章稀土铈基催化材料在固定源氮氧化物催化消除中的基础应用，介绍了固定源的NOx排放情况及治理方法，总结了稀土铈基材料在NH3选择性催化还原NOx应用中的关于反应活性、反应机理及抗水、抗二氧化硫和抗碱中毒方面的研究进展。第6章稀土铈基催化材料在典型挥发性有机物催化消除中的基础应用，介绍了挥发性有机污染物去除技术、催化氧化机理、催化加氢脱氯机理、稀土铈基催化材料在有机废气催化净化中的应用。第7章稀土铈基催化材料在光催化消除污染物中的基础应用，从表面改性、离子掺杂以及形貌调变三个方面研究稀土铈基材料的光催化性能，介绍了该材料在光催化室内挥发性有机污染物、氮氧化物、废水净化中的应用。
本书主要由董林（南京大学）编著，其他参加编写的人员包括高飞（南京大学）、李露露（江苏科技大学）、汤常金（南京师范大学）、孙传智（山东师范大学）、孙敬方（南京大学）、万海勤（南京大学）、邹伟欣（南京大学）。各章节的执笔分工如下：第1章由董林、李露露共同撰写；第2 章由董林、汤常金共同撰写；第3章由董林、孙敬方共同撰写；第4章由董林、高飞共同撰写；第5章由董林、孙传智共同撰写；第6章由董林、万海勤共同撰写；第7章由董林、邹伟欣共同撰写。
在本书的成稿过程中，虞硕涵、熊燕、张雷、姚小江、张洪亮、李婉芹等对本书的资料收集、内容修订、图表编辑和文献校对做了大量工作，并提出了不少宝贵意见；万海勤对本书的统稿做了大量工作，在此一并表示衷心感谢。
由于笔者水平所限，经验不足，书中难免有遗漏、偏颇之处，恳请读者提出批评和建议，以便再版时加以改进和完善。

编著者
2022年10月

本书简要介绍了稀土铈基催化材料的特征、应用背景及面临的挑战。重点阐述了该材料在大气污染催化控制中的工作原理及最新研究进展。此外，还介绍了稀土铈基材料在废水催化净化中的应用。本书包括7章，分别从稀土铈基材料的结构特征、材料合成、性质表征以及在氮氧化物、挥发性有机污染物、废水等催化控制体系中的应用等方面展开，力求系统、全面地介绍铈基催化材料在环境催化控制技术领域中的应用、研究进展和未来展望。
本书具有较强的理论性、系统性和专业性，对从事催化化学、环境科学与工程的科技人员具有参考价值。

第1章概述001-024
1.1 稀土元素简介 002
1.2 稀土氧化铈及其固溶体的结构 004
1.2.1 氧化铈的结构特征 004
1.2.2 铈基固溶体 007
1.3 氧化铈的基本性质 011
1.3.1 氧化还原和储释氧性能 011
1.3.2 酸碱性 014
1.3.3 热稳定性 014
1.4 稀土铈基催化材料的应用概述 015
1.4.1 机动车尾气净化 015
1.4.2 氮氧化物的催化消除 016
1.4.3 VOCs 的催化消除 017
1.4.4 光催化及其他方面的催化应用 018
1.5 结语 019
参考文献 019

第2章稀土铈基催化材料的制备025-055
2.1 简介 026
2.2 稀土铈基催化材料制备的科学基础 027
2.2.1 金属铈盐的溶液化学 027
2.2.2 金属铈盐的热分解化学 031
2.3 纯CeO2 的制备 033
2.3.1 CeO2 的形貌调控 033
2.3.2 CeO2 的结构调控 041
2.4 复合CeO2 催化材料的制备 043
2.4.1 以CeO2 为载体的催化材料制备 043
2.4.2 CeO2 作为表面改性剂的催化材料制备 043
2.4.3 CeO2 作为体相掺杂剂的催化材料制备 044
2.5 稀土铈基催化材料的后处理制备 047
2.5.1 气氛处理 047
2.5.2 热处理 048
2.5.3 水热处理 049
2.5.4 其他处理 049
参考文献 050

第3章稀土铈基催化材料的表征方法056-091
3.1 简介 057
3.2 稀土铈基催化材料储释氧性能的表征 057
3.2.1 储释氧性能 057
3.2.2 总储释氧能力的测定方法 058
3.2.3 动态储释氧性能的测定方法 062
3.3 氧空位的形成及表征 066
3.3.1 氧空位 066
3.3.2 氧空位的形成 067
3.3.3 氧空位的表征 069
3.4 表面酸碱性的表征 079
3.4.1 B 酸和L 酸 079
3.4.2 酸碱性质表征 079
参考文献 083

第4章稀土铈基催化材料在移动源尾气催化消除中的基础应用092-131
4.1 机动车尾气简介 093
4.1.1 常规燃料机动车尾气 093
4.1.2 清洁燃料机动车尾气 094
4.1.3 机动车尾气排放法规 095
4.2 稀土铈基催化材料在汽油车尾气催化净化中的应用 096
4.2.1 铈锆固溶体 098
4.2.2 铈锆固溶体的修饰与改性 099
4.2.3 负载贵金属的稀土铈基催化剂 102
4.2.4 负载非贵金属的稀土铈基催化剂 102
4.2.5 低温稀土铈基三效催化剂 103
4.3 稀土铈基催化材料在柴油车尾气催化净化中的应用 105
4.3.1 柴油车尾气氧化催化剂中的稀土铈基催化材料 105
4.3.2 柴油车尾气选择性还原氮氧化物催化剂中的稀土铈基催化材料 109
4.3.3 柴油车尾气颗粒物氧化催化剂中的稀土铈基催化材料 112
4.4 稀土铈基催化材料在清洁燃料机动车尾气催化净化中的应用 119
4.4.1 稀土铈基催化材料在CNG 汽车尾气处理中的作用 121
4.4.2 稀土铈基催化材料在含氧燃料汽车尾气处理中的应用 122
4.5 稀土铈基催化材料用于移动源尾气处理的发展趋势 123
参考文献 124

第5章稀土铈基催化材料在固定源氮氧化物催化消除中的基础应用132-160
5.1 固定源NOx 污染简介 133
5.1.1 火电行业的NOx 排放及治理 134
5.1.2 非电行业的NOx 排放及治理 135
5.2 稀土铈基催化材料在NH3 选择性催化还原NOx 中的应用 139
5.2.1 氧化铈作为载体或者活性组分 140
5.2.2 稀土铈基复合氧化物催化剂（体相掺杂） 141
5.2.3 氧化铈作为表面负载的组分（表面改性） 144
5.3 稀土铈基催化材料在固定源NOx 消除中的催化反应机理 146
5.3.1 硫酸化的CeO2 体系 146
5.3.2 金属掺杂的CeO2 体系 147
5.4 稀土铈基催化材料在NH3-SCR 反应中抗SO2 和H2O 中毒的应用基础研究 148
5.4.1 稀土铈基催化剂的耐SO2 性 148
5.4.2 稀土铈基催化剂的耐H2O 性 151
5.5 稀土铈基催化材料在抗碱金属中毒中的应用基础研究 151
参考文献 152

第6章稀土铈基催化材料在典型挥发性有机物催化消除中的基础应用161-190
6.1 VOCs 简介 162
6.2 稀土铈基催化材料在VOCs 催化消除中的机理 165
6.2.1 催化燃烧机理 165
6.2.2 催化加氢脱卤机理 166
6.3 稀土铈基催化材料在催化氧化低碳烃中的应用 167
6.3.1 丙烷催化氧化 167
6.3.2 丙烯、乙烷等其他低碳烷烃催化氧化 169
6.4 稀土铈基催化材料在催化氧化芳香类VOCs 中的应用 169
6.4.1 CeO2 作为主催化剂 170
6.4.2 CeO2 作为载体 171
6.4.3 CeO2 作为助剂 174
6.5 稀土铈基催化材料在催化氧化含氧类VOCs 中的应用 174
6.5.1 甲醛氧化 174
6.5.2 酯类、醇类氧化 177
6.6 稀土铈基催化材料在催化净化含卤类VOCs 中的应用 179
6.6.1 催化燃烧 179
6.6.2 催化加氢脱氯 183
参考文献 185

第7章稀土铈基催化材料在光催化消除污染物中的基础应用191-215
7.1 光催化简介 192
7.2 稀土铈基光催化剂的结构调变 194
7.2.1 表面改性 194
7.2.2 离子掺杂 195
7.2.3 形貌调变 195
7.3 稀土铈基催化材料在光催化消除VOCs 中的应用 196
7.4 稀土铈基催化材料在光催化消除NOx 中的应用 200
7.5 稀土铈基催化材料在光催化还原CO2 中的应用 202
7.6 稀土铈基催化材料在环境领域其他方面的应用 204
7.6.1 重金属废水 205
7.6.2 染料废水 206
7.6.3 酚醛废水 207
参考文献 208