硫化CoMo／Al2O3催化剂上H2同时催化还原SO2和NO（H）——催化反应活性相及机理探讨

主要通过XPS表征、热力学计算以及一系列设计的评价实验等方法,对硫化CoMo／Al2O3催化剂上H2同时催化还原SO2和NO反应的活性相、吸附活性位以及反应机理进行了研究。结果表明,金属硫化物相是SO2和NO转化的主要活性相,并与载体Al2O3共同承担H2S转化为单质硫的作用。此外,反应过程中产生的晶格空位也对NO转化起着重要作用。催化剂表面的阴离子空位是SO2和NO共同的吸附活性位,SO2对NO的吸附有抑制作用,而催化剂表面的L碱位也是SO2的吸附活性位,NO可促进SO2的氧化吸附。最后,本文从反应分子的吸附与活化、NO的转化及晶格硫的流失、SO2还原到H2S、H2S的转化、晶格硫的补充等5个方面提出了反应机理。     

硫化CoMo/Al2O3催化剂上H2同时催化还原SO2和NO(Ⅰ)——催化剂的制备、表征及性能

用浸渍法制备了CoMo/Al2O3催化剂,并对其进行了XRD、低温氮吸附-脱附和TPR表征.结果表明,随着Co负载量的增加,催化剂表面活性物种增加,但同时催化剂的比表面积和孔容逐渐减小;硫化后的催化剂比未经硫化处理的催化剂表面具有更多更易还原的活性物种.将所制得的催化剂硫化后用于NO分解和H2还原NO反应,NO均完全转化,但催化剂最终会因为晶格硫的大量流失而活性下降.在H2还原NO反应体系中,H2的存在使得催化剂晶格硫的流失速率极大变缓,催化剂活性下降较慢;在H2同时还原SO2和NO体系中,由于晶格硫能够得到外界源源不断的补充,因此,SO2和NO能同时在催化剂表面实现稳定的还原,反应温度、空速、进料气中H2的配比、催化剂中Co负载量以及硫化预处理方式对催化剂的活性有显著影响.活性测试结果表明,在500℃,空速12000 h-1,n(H2)/n(SO2 NO)=2时,5%Co10%Mo/Al2O3上SO2和NO转化率均为100%,单质硫产率达96.6%.     

富氧条件下Cu/Al2O3催化剂上C3H6选择性还原NO的研究

以Cu/Al2O3为催化剂,对富氧条件下C3H6为还原剂选择性催化还原NO反应进行了研究.活性评价结果表明,与高活性的Ag/Al2O3催化剂相比,Cu/Al2O3催化剂选择性还原NO的活性较低,NO的最高转化率仅为40%.在所考察的温度范围(473～723K)内,红外谱图中不存在有机含氮化合物(R—ONO和R—NO2)的特征振动吸收峰.作为反应中间体—NCO的前驱体,有机含氮化合物在Cu/Al2O3催化剂表面难以生成是造成催化剂选择性还原NO活性低的直接原因.在Cu/Al2O3催化剂上,NO2吸附能够优先发生,并以NO3-物种的形式覆盖在大部分催化剂表面.动态原位红外光谱实验发现,这种NO3-表面物种与C3H6的反应性较差,使生成有机含氮化合物的关键反应难以发生,但此时的催化剂表面有利于C3H6和O2的完全氧化反应,这是导致Cu/Al2O3催化剂选择性较低的根本原因.     

MnO2-CeO2/Ti0.25Zr0.25Al0.5O1.75整体式催化剂的低温NH3选择性催化还原NO性能研究

采用共沉淀法制备了TiO2、Ti0.5Zr0.5O2(TZ)和Ti0.25Zr0.25Al0.5O1.75载体材料,并以MnO2和CeO2为活性组分,以T、TZ和TZA为载体,制备了3种整体式催化剂.对催化剂进行了低温N2吸附脱附、储氧量(OSC)、NH3-TPD和XPS的表征,并研究了3种催化剂在过量O2存在下的低温NH3-选择催化还原(NH3-SCR)活性及其抗H2O和SO2性能.结果指出,MnO2-CeO2/Ti0.25Zr0.25Al0.5O1.75(TZAC)有最大的比表面积、孔容和储氧能力、最强的表面酸性和最大的表面酸量.而这对选择催化还原(SCR)反应至关重要.活性测试结果指出,TZAC有最好的低温SCR活性和最宽的活性温度窗口.NO在102℃起燃(转化率为50%),在175～325℃之间NO转化率接近100%,而且TZAC表现出了较强的抗H2O和SO2性能.     

Sn0.5Ti0.5O2催化剂上SO2、NO和CO反应的机理

Sn0.5Ti0.5O2催化剂对NO＋CO反应活性不高， 350 ℃时NO的转化率只有50％,但反应气中含有SO2时， NO的转化率接近100％,说明SO2对Sn0.5Ti0.5O2催化剂上的NO＋CO反应具有促进作用. XPS表征发现,SO2＋CO、SO2＋NO＋CO反应后催化剂表面有微量硫存在，而反应前没有检测到硫的存在.结合反应性能测定、瞬变应答实验、XRD、TPD研究等，发现催化剂上的表面硫参与了NO的催化还原反应，是NO＋CO反应更重要的活性中心.据此，提出了SO2＋NO＋CO反应的氧化还原反应机理.     

Fe-Mn/Al2O3催化剂低温 NH3选择性催化还原 NO的性能

本文制备了一系列 Fe-Mn/Al2O3催化剂,并在固定床上考察了其 NH3低温选择性催化还原 NO的性能.首先考察了不同 Fe负载量制备的催化剂的脱硝性能,优选出最佳的 Fe负载量;在此基础上,研究了 Mn负载量对催化剂脱硝效率的影响;最后,对优选催化剂的抗 H2O和抗 SO2性能进行了实验研究;同时,对催化剂由于 SO2所造成的失活机制进行了考察.采用 N2吸附-脱附、X射线衍射、透射电镜、能量弥散 X射线谱、程序升温还原、程序升温脱附、X射线光电子能谱、热重和傅里叶变换红外光谱等方法对催化剂进行了表征.结果表明,最佳的 Fe和 Mn负载量均为8%,所制的8Fe-8Mn/Al2O3催化剂在150°C的脱硝效率可达近99%;同时,在整个低温测试区间(90–210°C)的脱硝效率均超过了92.6%. Fe在催化剂表面主要以 Fe3+形态存在,而 Mn主要包括 Mn4+和 Mn3+; Mn的添加提高了 Fe在催化剂表面的积累,促进了催化剂比表面积增大和活性物种分散,改善了催化剂氧化还原性能和对 NH3的吸附能力.催化剂的高活性主要是由于其具有较大的比表面积、高度分散的活性物种、增加的还原特性和表面酸性、较低的结合能、较高的 Mn4+/Mn3+和增强的表面吸附氧.此外,8Fe-8Mn/Al2O3的催化性能受 H2O和 SO2影响较小,抗 H2O和 SO2能力较强.同时,反应温度对催化剂的抗硫性有重要影响,在较低的反应温度下,催化剂抗硫性更好; SO2造成催化剂活性降低主要是由于催化剂表面硫酸盐物种的生成.一方面,表面硫酸铵盐的生成造成催化剂孔道堵塞和比表面积降低,减少了反应中的气固接触从而导致活性降低;另一方面,催化剂表面的活性物种被硫酸化,造成反应中的有效活性位减少,从而降低了催化剂活性.     

Ni-Mo/Al_2O_3催化剂上硫转移反应的研究

制备了以γ-Al2O3为载体的Ni-Mo催化剂,并用于FCC汽油的加氢硫转移反应。对Ni-Mo/Al2O3催化剂上的硫转移反应机理进行了研究,考察了不同反应条件对硫转移反应的影响。实验结果表明,硫醇与烯烃的反应在催化剂表面的加氢活性位上进行,小分子的硫醇发生加氢脱硫,生成吸附态H2S,吸附态的H2S与烯烃反应,生成大分子硫醇和硫醚;另外小分子硫醇还可直接与烯烃发生反应,生成硫醚。提高反应温度、压力、氢油比或降低空速,均可提高催化剂的硫转移反应活性,轻质硫转化率得到明显提高,且单烯选择性还能维持在98%左右。     

SO_2对NO催化氧化过程的影响 Ⅴ.NiO/γAl_2O_3上SO_2的作用机理

采用程序升温脱附 (TPD)及漫反射原位红外光谱 (DRIFT)技术分析比较了SO2 存在前后 ,NO O2 反应气体在NiO/γ Al2 O3 催化剂上所形成吸附物种的变化情况 ,发现SO2 能促使硝酸盐物种在低温分解并释放出NO2 ,而且耐热稳定的硝酸盐物种也比单纯NO O2 吸附时多 .室温时催化剂表面上的SO2 以弱吸附物种为主 ,特征红外吸收峰位于 13 2 4cm-1附近 ,温度升高后表面硫酸盐物种数量增多 .关联SO2 气氛中NO2 的生成规律后得出 ,类似于铅室反应中间体的多分子吸附物种[NO2 (SO3 ) x]是产生NO2 的活性物种 ,由SO2 在载体或催化剂表面弱碱位吸附后吸引气相NO所产生 ,解离O-起到稳定活性物种和补充弱碱位的作用 .同时该物种也是毒性物质SO2 -4的前驱体 ,当NO氧化反应发生后催化剂的失活也开始了 .     

硫化NiW/Al2O3催化剂上H2同时催化还原SO2和NOⅡ. SO2和NO的同时还原

 对硫化NiW/Al2O3催化剂上H2同时还原SO2和NO反应进行了研究,探讨了温度、空速、H2配比以及Ni负载量对反应的影响. 结果表明,催化剂的活性随反应温度的升高而增加,550 ℃时, SO2和NO在15%Ni-10%W/Al2O3上的转化率达100%,单质硫的产率达90%以上; 增加空速对NO转化率和单质硫的选择性影响不大,但SO2转化率及单质硫产率明显下降; 提高n(H2)/n(SO2+NO)的比值可显著提高SO2转化率,但单质硫选择性明显下降,其比值为2.0时单质硫产率最大,随后随H2浓度的增加而迅速下降, NO转化率几乎不受H2配比的影响; 增加催化剂的Ni含量可明显提高各反应物的转化率及单质硫的选择性和产率; 预硫化过程对催化剂性能有很大影响,是获得高活性催化剂的必要条件. 催化剂稳定性测试及XRD结果表明,催化剂不会因为晶格硫的大量流失而失活. 最后,提出了H2同时还原SO2和NO反应的机理.     

硫化NiW/Al2O3催化剂上H2同时催化还原SO2和NOⅠ.NO的分解与还原

 考察了NO在硫化NiW/Al2O3催化剂上分解和还原的规律. 结果表明,在350 ℃以上,NO完全分解,但同时催化剂的晶格硫因氧化而以SO2的形式大量流失,最终导致催化剂完全失活. 在NO分解反应体系中,按化学计量比引入的H2与晶格硫竞争消耗NO分解所生成的Oad,使晶格硫的氧化在一定程度上得到抑制; 氧化的部分晶格硫能通过一系列氧化还原过程重新进入催化剂晶格,导致晶格硫的流失速度和程度得到缓和,催化剂可在较长的时间内保持较高的NO转化活性. 但是,催化剂的活性最终仍会因为大部分晶格硫逐渐流失而大幅度下降.     

O_2,H_2S和SO_2对氧硫化镧催化性能影响的原位IR研究

对比研究了O2,H2S和SO2对La2O2S和γ-Al2O3催化剂上羰基硫（COS）水解反应的影响,与传统的氧化铝催化剂相比,氧硫化镧显示出良好的抗氧性能和一定的耐硫能力．一定量的O2或O2与H2S共存气体对La2O2S的活性几乎没有影响,但却使γ-Al2O3的活性明显下降;SO2的存在会导致两种催化剂活性有不同程度的降低,但在La2O2S上随着温度的上升其影响程度逐渐减弱．利用原位IR技术表征了La2O2S表面物种,用程序升温脱附（TPD）技术分别考察了O2,H2S,SO2单独组分及混合组分在两种催化剂上的吸附行为．研究发现,由于各组分在两种催化剂上的吸附行为不同,使COS在γ-Al2O3和La2O2S催化剂上具有不同的水解反应机理,氧硫化镧催化剂上COS水解反应遵循Rideal机理．由于SO2本身对La2O2S中的品格S^2-起输送作用,因而稀土氧硫化物催化剂具有良好的抗SO2中毒性能．     

硫化CoMo催化剂上H2同时还原NO和SO2的研究I．H2还原NO反应

研究了Al2O3担载的硫化CoMo催化剂上NO被H2还原的规律，并考察了不同Mo含量的CoMo/Al2O3催化剂、单一的Mo／Al2O3和Co/Al2O3催化剂，以及原料气中H2／NO比对反应活性和选择性的影响。结果表明，硫化的5．1％C-15．2％Mo/Al2O3催化剂具有最高的催化活性和选择性，在200℃以下时反应产物为N2O，在350℃以上时则完全转化为N2．进一步增加Mo含量引起在350－450℃间N2选择性轻微下降，提高原料气中的H2含量可明显提高反应活性和N2选择性，但当n（H2）／n（NO）＞3后反应性能不再变化。催化剂具有较高的稳定性，反应产物中始终未观察到有H2S或SO2产生，即反应未引起催化剂中的晶格S流失。这说明H2的存在抑制了NO对硫化物表面的氧化所导致的催化剂失活。     

CeO2改性的Pd/Al2O3催化剂在加氢脱硫反应中的抗硫性能

采用浸渍法制备CeO2改性的Pd/Al2O3催化剂,以噻吩加氢脱硫为探针反应,考察了Pd/Al2O3 和Pd-CeO2/Al2O3催化剂的活性和抗硫性能,并运用CO吸附、FT-IR、TG等分析测试技术研究表征了催化剂性质. 结果表明,Pd-CeO2/Al2O3催化剂比Pd /Al2O3催化剂具有较低的硫化度. 在连续反应中,Pd-CeO2/Al2O3催化剂的抗硫失活能力较强. CeO2的加入导致了Pd-S键能的减弱,在Pd-CeO2/Al2O3催化剂上H2S主要吸附在CeO2上而不是Pd原子上. Pd-CeO2/Al2O3抗硫能力的提高是由于Pd-Ce结合导致Pd缺电子状态,减少了Pd的硫化失活而引起. CeO2对H2S的竞争吸附造成与CeO2结合作用的Pd处于较低的H2S分压,减少了Pd失活的几率.     

低温等离子体协助B2O3/γ-Al2O3 选择催化还原NO（英文）

研究了低温等离子体协助催化条件下甲烷选择性催化还原NO反应(SCR).反应气体经等离子体活化后,生成NO2,HCHO,CH3NO和CH3NO2等活性更高的中间产物.程序升温表面反应表明,这些中间产物可在等离子体后置催化装置上进一步反应,从而使NOx还原为N2.在考察的一系列催化剂(包括γ-Al2O3,Ag/γ-Al2O3,B2O3/γ-Al2O3,Ga2O3/γ-Al2O3,In2O3/γ-Al2O3等)中,B2O3/γ-Al2O3表现出最好的催化活性.当反应温度为300oC时,NOx转化率达到最高.与γ-Al2O3催化剂相比,在10wt%B2O3/γ-Al2O3催化剂上,300oC时,NOx转化为N2的转化率从33.4%提高至51.0%.催化剂的酸性对于经等离子体活化后的反应气体在催化剂上的SCR反应起到重要作用.同时,催化剂上吸附态NOx对于NOx的转化也起到一定作用.     

原位漫反射红外光谱法研究SO2对Ag/Al2O3选择性催化丙烯还原NOx反应的影响

 以Ag/Al2O3为催化剂,采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱法研究了SO2对C3H6选择性还原NOx反应的影响. 结果表明, SO2在催化剂表面转化为硫酸盐,并且随着硫酸盐累积量的增加,其主要红外特征吸收峰由低波数向高波数漂移. 高浓度表面硫酸盐的存在不仅抑制了催化剂表面硝酸盐的生成,而且抑制了硝酸盐与表面烯醇式物种(RCH=CH-O-)或乙酸盐物种进一步反应,生成活泼的反应中间体异氰酸酯(-NCO), 这是导致Ag/Al2O3催化剂上C3H6选择性还原NOx活性降低的主要原因.     

CuMnCeLa-O/γ-Al2O3催化剂助燃脱硝性能研究

采用等体积浸渍法制备了Cu Mn-O/γ-Al_2O_3、Cu Mn Ce-O/γ-Al_2O_3和Cu Mn Ce La-O/γ-Al_2O_3催化剂.用XRD、BET、SEM、XPS和H_2-TPR技术对其物相和表面性质进行了表征.在连续固定床微反装置上评价了催化剂的CO+O_2和CO+NO反应性能.结果表明,催化剂样品中观测不到Cu O、Mn O_x、Ce O_2和La_2O_3的XRD晶相峰,活性组分在γ-Al_2O_3载体表面呈高度分散状态.Ce、La的引入对催化剂的比表面积、孔容和孔径分布影响不大.SEM谱图中未观测到活性组分的形貌,金属氧化物在载体表面均匀分布.Ce~(3+)!Ce~(4+)之间的可变价转换,引起Cu Mn Ce-O/γ-Al_2O_3催化剂表相Cu O中具有非完整结构的[Cu~(2+)_(1-x)Cu_x~+][O_(1-2)1_x□1_(2x)]增多,Cu~+/Cu~(2+)比例增大,表相氧空位增多,H_2-TPR还原峰温度向低温区偏移.Ce~(4+)、La~(3+)之间不平衡电荷以及共生过程中Cu-Mn-Ce-La-O之间的强相互作用,加大了Cu O和Mn O_x结构的不完整性,导致Cu Mn Ce La-O/γ-Al_2O_3催化剂样品表相产生更多的Cu~+、Mn~(2+)、Mn~(3+)和氧空位,相应的H_2-TPR还原峰温度进一步向低温区偏移.催化氧化CO和CO催化还原NO实验结果表明,在反应空速20 000 h~(-1),350℃反应温度下,Cu Mn Ce La-O/γ-Al_2O_3催化剂CO催化还原NO反应的CO转化率达到88.2%,NO转化率达到了96.1%,表现出了较好的氧化还原活性.     

负载型V2O5/TiO2催化剂表面分散状态和性质对氨选择性催化还原NO性能的影响（英文）

采用多种物理化学手段研究了不同负载量V2O5/TiO2催化剂的VOx物种分散状态、表面酸性、可还原性及其选择性催化还原(SCR)NO性能.结果表明,V2O5在锐钛矿TiO2表面的实测单层分散容量约为1.14mmol V/100m2TiO2,与"嵌入模型"的估算值相符,表明分散态的钒离子应键合在TiO2表面的八面体空位上.随着V2O5负载量的增加,V2O5/TiO2催化剂上NO转化频率(TOF)先急剧增加,至0.70mmol V/100m2TiO2(略超过分散容量的一半)时达到极大(约8.3×10-3s-1),然后又急剧下降;同时,孤立VOx物种可能倾向于分散在相邻的八面体空位上,且通过V-O-V化学键相连形成聚合的VOx物种,V-O-V键所占比例增加而V-O-Ti键所占比例减小,催化剂表面单位钒离子的Brnsted酸中心量增加,故催化剂的TOF急剧增加.随着负载量进一步增加,虽然催化剂表面单位钒离子的Brnsted酸中心量仍缓慢增加,但V-O-Ti键所占比例减少,导致钒离子的可还原性下降,另外,分散容量以上时晶相V2O5的形成也导致钒离子表面利用率下降,从而导致催化剂的TOF下降.桥式Brnsted酸位(V-O(H)-V)也是SCR反应活性中心之一,不同负载量V2O5/TiO2催化剂上SCR活性与表面VOx物种的分散状态、表面酸性和钒离子可还原性密切相关.     

CO为还原剂同时还原SO2和NO的SnO2-TiO2固溶体催化剂Ⅲ.催化剂的活性位和反应机理

 采用显微红外光谱、漫反射红外光谱、瞬变应答反应以及催化剂活性测试等实验手段,对SnO2-TiO2催化剂上SO2+CO,NO+CO和SO2+NO+CO (SRSN)反应的机理及活性位进行了综合研究. 结果表明, SO2+CO和NO+CO反应按典型的Redox机理进行,催化剂的表面晶格氧[O]和氧阴离子空穴[□]([O]-[□])是Redox反应的活性位. 对于SO2+CO反应,其[O]-[□]位于SnO2-TiO2催化剂中邻近Sn离子和邻近Ti离子的位置,邻近Ti离子的[O]-[□]的活性比邻近Sn离子的[O]-[□]的活性高. NO+CO反应主要在邻近Sn离子的[O]-[□]中心上进行. 对于SRSN反应,其中的SO2+CO反应的机理及催化剂的活性位与单纯的SO2+CO反应相同,而其中的NO＋CO反应按两种机理进行: 一种和单纯的NO＋CO反应相同,即按一般的Redox机理进行,其活性位为邻近Sn离子的[O]-[□]中心; 另一种按SO2促Redox反应机理进行,其活性位为表面活性硫物种[SO]*.     

NH3在V2O5/AC催化剂表面的吸附与氧化

 将V2O5担载在活性焦(AC)上制得V2O5/AC催化剂,通过吸附脱附实验、程序升温脱附实验与原位质谱结合,对200 ℃下NH3在V2O5/AC催化剂表面的吸附和氧化行为进行了研究. 结果表明, AC具有吸附NH3和将NH3转化为NO的能力,这种能力可能源于两种活性位; 担载V2O5后,催化剂对NH3的吸附能力显著增强,并产生了新的NH3氧化产物N2, 但NH3氧化为NO的能力减弱; SO2在催化剂表面的吸附进一步增大了V2O5/AC对NH3的吸附量,这可能是因为硫铵盐的生成消除了催化剂将NH3氧化转化为NO和N2的能力. 当催化剂表面吸附的NH3接近饱和,即表面接近酸碱平衡后NH3才能被氧化为N2. NH3的几个氧化反应都主要依赖气相的O2, 催化剂自身的化合氧作用很小.     

硫化CoMo催化剂上H2同时还原NO和SO2的研究Ⅰ.H2还原NO反应

 研究了Al2O3担载的硫化CoMo催化剂上NO被H2还原的规律，并考察了不同Mo含量的CoMo／Al2O3催化剂、单一的Mo／Al2O3和Co／Al2O3催化剂，以及原料气中H2／NO比对反应活性和选择性的影响．结果表明，硫化的5．1％Co－15．2％Mo／Al2O3催化剂具有最高的催化活性和选择性，在200℃以下时反应产物为N2O，在350℃以上时则完全转化为N2．进一步增加Mo含量引起在350～450℃间N2选择性轻微下降．提高原料气中的H2含量可明显提高反应活性和N2选择性，但当n（H2）／n（NO）＞3后反应性能不再变化．催化剂具有较高的稳定性，反应产物中始终未观察到有H2S或SO2产生，即反应未引起催化剂中的晶格S流失．这说明H2的存在抑制了NO对硫化物表面的氧化所导致的催化剂失活．