由于良好的动力性和经济性,柴油车正赢得越来越多的轻型车市场份额。但是,其排放的四种污染物—包括碳烟(PM),氮氧化物(NOx),一氧化碳(CO)和未燃碳氢化合物(HC)—正损害着自然环境和人类健康,而且不能满足日益严格的排放法规。利用催化后处理技术可以控制柴油车污染物的排放,其中同时控制四种污染物排放的技术称为四效催化技术,所采用的催化剂为四效催化剂。基于Toyota公司提出的DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction system)概念,耦合催化碳烟燃烧和NOx存储-还原两类技术研究和发展了一种新型柴油车四效催化剂。该催化剂以Mg-A1水滑石复合氧化物(MgAlO)为载体,以碱金属K和贵金属Pd为活性组分。其中,K催化碳烟燃烧和NOx存储,贵金属催化NOx还原以及CO和HC氧化。在柴油车排放的模拟实验以及台架试验中发现,该催化剂可以实现四种污染物的去除。同时对该催化剂及催化反应进行了详细表征,探讨了碳烟燃烧和NOx存储-还原的机理。本论文的主要工作和发现有：(1)将K负载到Mg-A1水滑石复合氧化物(MgAlO)上,得到K/MgAlO催化剂。结构表征发现,K增加了MgAlO的碱性和表面晶格氧的浓度。当K负载量≤8wt.%时,K高度分散在MgAlO表面,并与载体作用形成新的Lewis碱位,包括：①K取代MgAlO弱碱位OH上的质子形成弱碱性的Mg(Al)-O-K;②K与强碱位表面02-结合形成强碱性的Mg-O-K；③当K负载量≥5wt.%时,存在与载体作用较弱并具有更强碱性的准自由KOx。K增强MgAlO碱性的本质是K的电荷转移到了表面氧负离子上(2)测试了O2气氛中K/MgAlO催化碳烟燃烧的活性,发现K可以显著降低碳烟的起燃温度,并减弱催化剂对碳烟接触方式的依赖。其中,K的最佳负载量低于8wt.%。用离线红外技术发现了碳烟燃烧反应过程中出现的碳氧络合物—烯酮物种。结合其他表征手段,确定了K催化碳烟燃烧的“氧溢流”机理。K位上的表面活性氧溢流到碳烟表面的自由碳位上,形成烯酮物种。烯酮物种与另外的表面活性氧结合生成CO2。在碳烟被消耗的同时,大量的自由碳位被暴露。副产物CO则源于自由碳位与气相O2之间的反应。事实上,溢流的活性氧延展了催化剂的作用范围,弱化了催化剂对碳烟接触方式的依赖。此外,K/MgAlO在催化碳烟燃烧过程中具有相对较高的可重复性,这是因为载体中A1与K之间的作用可以稳定K的存在。(3)测试了在NO+02气氛中K/MgAlO催化碳烟燃烧的活性,发现K同时促进了碳烟燃烧和NOx还原。另外,NOx的引入有利于低温的碳烟燃烧(<300℃),而对高温的碳烟燃烧(>300℃)有所抑制,但伴随有NOx还原。从原位红外实验中发现,反应中存在的两个中间物—烯酮物种和异氰酸根物种,确认除“氧溢流”机理外,碳烟燃烧还存在另外2个反应路径：①NO反应路径：NO与K位上表面活性氧结合形成亚硝酸盐,亚硝酸盐与自由碳位作用形成烯酮物种,烯酮物种进一步被临近的亚硝酸盐氧化为CO2,并生成NO(低温)或N2(高温)；②NO2反应路径：NO2与自由碳位直接作用,生成烯酮物种或异氰酸根物种,后者进一步被O2或NO2氧化为CO2和N2。由于NO,与碳烟的反应受限于自由碳位的数量,而只有碳烟与O2在高温的反应才会产生大量的自由碳位。因此,NOx对低温碳烟燃烧的促进作用有限。此外,NOx吸附K位上形成硝酸盐,对K的催化作用有所钝化。(4)将Pd和K同时负载到MgAlO上得到了Pd-K/MgAlO催化剂。结构表征发现,K+与Pd紧密接触,覆盖了部分Pd位,降低了Pd的分散度。两者相互作用形成了Pd-O-K物种,减弱了Pd的氧化还原特性。尽管如此,这种相互作用使得表面的准自由KOx颗粒分散成了小粒径的颗粒,提高了K的分散度。活性测试发现,Pd-K/MgAlO保持了K/MgAlO的活性,可以同时促进碳烟燃烧和NOx去除。另外,在Pd和K协同作用下,NOx的最大去除效率达45%左右,高于Pd/MgAlO和K/MgAlO的去除效率。这是因为除了部分NOx被碳烟还原外,还有部分NOx发生了分解反应。(5)测试了Pd-K/MgAlO的Nq存储-还原性能。Pd-K/MgAlO表现出优异的NOx存储能力,在300℃时的存储量为890.4μmol/g,高于Pd/MgAlO和K/MgAlO.这是因为Pd和K间的作用提高了K的分散度,提供了更多的K存储位。原位红外表征发现,NOx在Pd-K/MgAlO上的存储存在三个路径：①亚硝酸盐路径：NO吸附在表面K物种上形成了亚硝酸盐；②亚硝酸盐-硝酸盐路径：靠近Pd的K位(即Pd-O-K位)上的亚硝酸盐逐渐被氧化为硝酸盐；③硝酸盐路径：NO2吸附在K位上直接形成了硝酸盐。在Pd的催化作用下,存储的NOx可被H2还原,起始还原温度为250℃。(6)将Pd-K/MgAlO催化剂涂覆到壁流式蜂窝陶瓷上,得到四效催化剂产品。将该产品封装后匹配到柴油发动机上,进行了台架实验。稳态工况下,碳烟去除率在90%以上；排气温度在400℃以上时,可部分去除NO,去除率为6%；排气温度在300℃以上时,CO去除效果明显,去除率最高可达95%左右,但易受碳烟影响；HC去除效果不佳,去除率在10%以内。基于NOx存储-还原机理,在稀燃/浓燃瞬变工况下可以实现对NOx的部分去除,浓燃阶段去除率在20%左右,整体去除率为7.0%,同时CO和HC的去除率分别为81.9%和36.9%。