烟尘是燃料不完全燃烧产生的碳质颗粒，排放到大气中会导致全球变暖、环境污染，并对生物产生有害影响。在汽车工业中，为了减少废气烟尘排放，人们使用微粒过滤器（GPF或DPF）来捕获这些烟尘，这是一种有效的方法。
但这些过滤器需要定期进行再生，以防止堵塞。在再生过程中，烟灰会在高温（约°C）下被氧化，从而使过滤器的温度升高。这个过程需要大量能源消耗。
因此，我们可以寻找一种有效的催化剂，可以降低烟尘氧化反应的活化能，从而在废气温度较低（约-°C）时加快反应速率。多年来，贵金属如铂、钯和钌因其高活性和耐用性而成为最常用的催化剂之一。而二氧化铈基催化剂是替代贵金属的最有前景的候选材料之一。
二氧化铈有两种氧化态，+3和+4，在氧气环境中是高度不稳定的。但是，由于其具有高晶格离子迁移率、氧化还原特性（Ce+3?Ce+4）以及Ce的高氧化态+4阳离子，它在氧化反应中一直表现出优越和特殊的催化性能（例如：C+O2→CO2）。
即使在通过形成氧空位去除晶格氧后，二氧化铈仍然保持其萤石晶体结构。通过将不同的元素（掺杂剂）引入晶格中，可以进一步提高其催化活性。
一、实验细节1.催化剂制备中欧2和Cr掺杂催化剂是一种通过溶胶-凝胶法合成的重要材料。在合成过程中，我们使用了有机添加剂，例如葡萄糖和果糖，并采用可溶于弱酸性有机溶液的酯或盐作为原料。
我们还采用了铈和硝酸铬作为起始材料，取2克Ce0.95铬0.05O2-δ样品，并混合10.87克硝酸铈六水合物以及0.克硝酸铬九水合物。然后，我们用水性盐溶液并通过硝酸酸化，使pH保持在4.5。接下来，我们准备了另一种葡萄糖-果糖混合物溶液，其质量比为1∶1，与水的比例为1∶15，将这个混合物缓慢加入到之前制备的金属硝酸盐溶液中，并在剧烈搅拌下进行均质化，随后，我们在室温下继续搅拌溶液一个小时，以促使凝胶形成。为了去除水分，我们将形成的凝胶置于°C温度的烘箱中干燥12小时。最后在具有静态空气气氛的炉中将样品煅烧在°C下5小时。这样，我们就能得到Ce1-x铬xO2催化剂。
2.表征材料分析中使用了不同仪器来研究样品的性质，Miniflux0X射线衍射仪采用了高强度的CuKa辐射来完成XRD分析。这种辐射具有1.54?的波长，通过以2°/min的扫描速率在2°至20°的70theta范围内进行分析。这项分析可以揭示样品的晶体结构和组成。我们还采用JEOL模型JSM-LV电子显微镜进行SEM分析，以研究样品表面形貌。SEM能够以高分辨率观察样品表面的微观结构，为我们提供关于样品表面形态的详细信息。
为了了解样品的比表面积，我们可以使用BET表面积分析仪。在这项分析中，所有样品在°C的温度下加热，以去除残留水分。
而表面积的测量，对于评估样品的吸附性能和化学反应活性非常重要。最后，为了获得样品的拉曼分析，再使用了激光（nm）进行了拉曼光谱实验。3.催化烟尘氧化活性实验过程中，我们可以将烟灰和催化剂混合，使用玛瑙砂浆进行研磨，以确保它们充分混合。他们采用了1：4的重量比，其中催化剂名称为PRINTEX-U，并采用了“紧密接触”条件来模拟真实情况。然后，再使用TGA设备监测混合物的重量变化。在实验中，温度从°C逐渐升高到°C，并以10°C/分钟的速率进行加热，同时空气流量保持在毫升/分钟。通过TGA测试，我们可以确定了催化剂对烟灰氧化的性能。在50°C的温度下，烟灰的转化率达到了50%。值得一提的是，实验重复进行了3个周期，但并未发现明显的变化。二、结果和讨论1.XRD分析在X射线衍射图谱中，我们可以观察到四个尖锐的衍射峰，分别对应于（）、（）、（）和（）平面，它们分别出现在2θ角度28°、33°、48°和57°处。但我们在CCr15、CCr20和CCr25样品中，还可以看到Cr2O3的小峰（JCPDSno：38-）。
经过综合考虑，我们通过溶胶-凝胶法合成，可以使用葡萄糖和果糖作为有机添加剂，在°C的煅烧温度下，Cr的溶解度可达到15%（原子）。而从XRD图谱来看，CCr5和CCr10样品中发现铬阳离子取代了部分Ce位点。此外，CCr15、CCr20和CCr25样品中铬2O3氧化物分散良好在表面上。
通过Scherrer方程计算晶体尺寸和晶格参数，我们发现在（）方向，Cr掺杂样品的晶体尺寸和晶格参数较纯二氧化铈有所减小。
此外，与纯CeO相比，2CCrx样品的XRD图谱向更高角度（2θ）移动，这证实了由于掺入较小的Cr而导致的铈晶格收缩（0.62?），相对于较大的Ce+4，Cr掺杂样品中的（1.?）离子。
所有CCrx样品（x=5-25）的BET表面积在15-20m2/g范围内，而纯二氧化铈的表面积更高，为28.31m2/g。晶体尺寸变小时，存在更大的团聚趋势，因此Cr掺杂样品的表面积小于纯二氧化铈。2.拉曼分析拉曼光谱可以帮助我们确定氧化物的局部晶体对称性、缺陷和无序情况。虽然X射线衍射也用于研究晶体结构，但拉曼光谱却展示了纯铈和铬掺杂铈的有趣结果。
在样本中，我们观察到约厘米的突出带，这可以被归因为一阶散射F2克所产生的拉曼活性模式，其结构类似于萤石。
与纯铈氧化物相比，掺杂铬离子的样本中，主波段（F2克）显示出较低的频率。这样的频率变化暗示着Ce-O键发生了实质性变化，很可能是由于Cr离子掺入了萤石晶格的结果。但随着铬掺杂量的增加，F2克峰开始从样本中分离出来。在CCr20和CCr25样品中，我们观察到约厘米左右?1的带（γ1）和约厘米?1的带（γ2），这对应于结晶铬2O3，铬2O3的存在可能会增加或减少催化烟灰氧化活性。
不仅如此，约厘米?1的带（一D）被归因于氧空位，这会导致活性氧的形成（O?-n2?），并负责烟尘氧化反应。
而当掺杂剂（Cr+3）加入晶格（CeO2）时，可能会发生电荷不平衡现象，也可能不会。在这个不平衡的过程中，还原现象（Ce+4到Ce+3）会出现，以维持电荷的中性，氧空位的浓度可通过缺陷诱导强度（ID）和F2克条带强度来计算。根据计算，氧空位浓度从高到低依次为：CeO2（0.35）CCr15（0.28）CCr5（0.18）CCr10（0.16）CCr25（0.05）CCr20（0.08）。可以说，与纯CeO2相比，Cr掺杂的样品具有更多的氧空位浓度，从而增强了储氧能力（OSC）。
3.扫描电镜分析纯二氧化铈和掺杂铬的样品，在扫描电子显微镜图像中呈现出不同的特征。纯正的CCr5和CCr10样品看起来像是薄片状的。而掺杂浓度更高的CCrx（x=15-25）样品中的颗粒则呈现出聚集现象。这样的聚集可能是因为在高掺杂水平下，颗粒会相互堆积和聚集在一起。从表面积的角度来看，掺杂铬的样品表面积比未掺杂的二氧化铈要减少，可以解释为掺杂导致颗粒团聚的结果。从X射线衍射分析中发现，掺杂的样品CCr15、CCr20和CCr25中出现了与铬氧化物（Cr2O3）有关的相位，这与纯二氧化铈的样品有所不同。
4.催化活性-TGA结果
在实验中，我们需要利用烟灰氧化能力。所谓烟灰氧化能力，指的是当烟灰遇到这种催化剂时，在一定温度下，会发生化学反应使得烟灰的转化达到50%。而这项催化剂是基于二氧化铈制备的，它可以帮助有效地氧化烟灰。
在研究中，我们发现通过不同的制备方法合成的二氧化铈催化剂，其烟灰氧化能力有着明显的不同。与传统的共沉淀法、水热法以及EDTA-柠檬酸盐法合成的Ceria相比，采用溶胶-凝胶法并添加葡萄糖和果糖等有机添加剂，可以获得烟灰氧化温度更低的催化剂。这可能是因为采用溶胶-凝胶法能够稳定二氧化铈的萤石相，而这种萤石相对催化活性具有重要影响。
我们还发现在不同Cr掺杂浓度的二氧化铈中，烟灰氧化温度也会有所不同。纯二氧化铈表现出最快的烟灰氧化速度。而Cr掺杂的二氧化铈中，有两种不同的表面氧物种，其中一种的活性略高于纯二氧化铈。
但当Cr掺杂量超过一定程度后，活性位点主要由另一种表面氧物种组成，导致催化活性下降。最后通过拉曼分析还发现，纯二氧化铈表面氧空位的浓度最高。这些氧空位有助于活性氧的活化和运输，因此，使得纯二氧化铈表现出最高的催化活性。三、结论当进行柴油微粒过滤器再生时，Cr掺杂的CeO2催化剂，再使用葡萄糖和果糖作为有机添加剂，并通过溶胶-凝胶法合成。通过这种方法，铬被引入到二氧化铈的晶格中，导致晶体尺寸和晶格参数的减小，这一结果可以从XRD结果中得到证实。与纯二氧化铈相比，CeO2BET表面积超过CCrx样品，这是由SEM分析所证实的团聚现象造成的。同时，拉曼光谱也确认了Cr2O3阶段的存在，与XRD分析结果相一致。但这种Cr掺杂的二氧化铈催化剂对烟灰的氧化温度有着显著的影响。烟灰氧化温度（T50）由原先需要°C的未催化烟灰，急剧降低至平均°C，而纯二氧化铈催化剂的T50为°C。这意味着铬掺杂的二氧化铈催化剂在较低温度下，能够更有效地氧化烟灰，展现出其催化效果。借助纯和Cr掺杂的二氧化铈催化剂，我们可以将能量需求降至最低，因为催化剂在较低温度下就能高效地氧化烟灰。
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