以ZrO2-TiO2为载体的整体式锰基催化剂应用于低温NH3-SCR反应

以MnO2为活性组分,Fe2O3为助剂,制备了以TiO2及ZrO2-TiO2为载体的整体式催化剂.考察了它们在不同温度焙烧后应用于富氧条件下,NH3选择性催化还原.(NH3-SCR)氮氧化物的低温反应性能和高温稳定性.用X射线衍射(XRD)实验、比表面积测定(BET)、储氧性能测定(OSC)及程序升温还原(H2-TPR)等方法对催化剂进行了表征.结果表明,以ZrO2-TiO2为载体的催化剂具有很好的高温热稳定性,并具有较高的比表面积和储氧能力.同时具有较强的氧化能力.催化剂的活性测试结果表明,以ZrO2-TiO2为载体的整体式锰基催化剂明显地提高了NH3-SCR反应的低温活性,具有良好的应用前景.     

整体式Mn-Fe/ZrO2-TiO2催化剂的制备及在低温NH3-SCR反应中的性能

以锆钛复合氧化物为载体, 制备整体式Mn基催化剂并研究其在低温氨选择性催化还原(NH3-SCR)氮氧化物反应中的性能; 用BET、XRD、储氧量(OSC)、程序升温还原(TPR)和XPS对催化剂进行表征. 实验结果表明, 与以TiO2为载体的催化剂相比, 以ZrO2-TiO2为载体的催化剂具有较大的比表面积、更稳定的晶相结构和较多的储氧量, 并具有较强的低温氧化性能和较高的表面Mn含量, 表现出良好的低温活性和高温稳定性. 在700 ℃焙烧后, Mn-Fe/ZrO2-TiO2在高空速55000 h-1条件下, 仍具有较好的起燃温度(182 ℃)和NO的转化率(78%), 并具有较强的抗水性能, 表现出很好的应用前景.     

ZrO2-TiO2-CeO2的制备及其在NH3选择性催化还原NO中的应用

采用共沉淀法制备了载体材料TiO2、ZrO2-TiO2及ZrO2-TiO2-CeO2, 并利用X射线衍射(XRD)实验、比表面积测定(BET)、程序升温脱附(NH3-TPD)、储氧性能测定(OSC)及程序升温还原(H2-TPR)等方法对三种载体材料进行了表征. 结果表明, ZrO2-TiO2-CeO2具有较多的表面强酸位, 并具有一定的储氧性能和较强的氧化还原性能. 以三种材料为载体, 制备了质量分数分别为1%、9%的V2O5、WO3的整体式催化剂. 研究了三种催化剂在富氧条件下用NH3选择性催化还原NO的催化性能. 结果表明, 以ZrO2-TiO2-CeO2为载体的催化剂在反应空速为10000 h-1, 275 ℃时, NO的转化率接近100%, 具有最好的催化活性,并有良好的应用前景。     

整体式MnOx-CeO2／ZrO2-TiO2催化剂用于NH3低温选择性催化还原NO

以MnOx为活性组分, CeO2为助剂, ZrO2-TiO2为载体制备了MnOx-CeO2/ZrO2-TiO2整体式催化剂,考察了焙烧温度对该催化剂上NH3低温选择性催化还原反应(NH3-SCR)的影响. 通过X射线衍射、比表面积测定、储氧量测定和X射线光电子能谱等手段对催化剂进行了表征. 结果表明,催化剂的织构性能和储氧量对低温NH3-SCR反应有较大的影响,活性组分锰以+3价和+4价共存时具有最好的低温活性. 该催化剂经600 ℃焙烧后,在空速为 36?000 h-1 时,反应有最低的起燃温度160 ℃和很宽的反应温度窗口176～393 ℃(转化率为60%～95%). 该催化剂在固定源,尤其在移动源柴油车上催化净化氮氧化物具有良好的应用前景.     

WO_3对MnO_x-CeO_2/ZrO_2-TiO_2整体式催化剂NH_3选择性催化还原NO_x性能的影响

以ZrO2-TiO2为载体,MnOx-CeO2为活性组分,WO3为助剂制备了MnOx-CeO2/WO3/ZrO2-TiO2整体式催化剂,考察了添加不同质量分数的WO3对低温氨选择性催化还原(NH3-SCR)氮氧化物反应性能的影响.通过低温N2吸附-脱附,X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等手段对催化剂进行表征.实验结果表明,与未添加WO3的催化剂相比,含有10.0%(w)WO3的催化剂具有较好的织构性能,且具有较多的中强酸位,较好的氧化性能,表现出良好的NH3-SCR活性和较宽的活性温度窗口(空速为10000h-1时,在144-374℃之间,NOx转化率为90%以上),该催化剂在低温净化氮氧化物中具有潜在的应用前景.     

V-Ce/TiO2脱硝催化剂的SO2中毒机理研究

通过表相、体相硫组分的表征分析,结合不同温度下含硫气氛下的活性演变及原位红外研究,获得了VCe(0.1)/TiO2催化剂在180、240和300℃下含硫氛围的NH3-SCR反应中毒机理. 180℃下催化剂上沉积了大量的硫酸氢铵和少量的金属硫酸盐,共同导致在8 h内活性从77.8%降至51.2%,热再生后的活性测试结果表明硫酸氢铵的沉积导致了催化剂活性降低8.3%,金属硫酸盐的沉积导致了催化剂活性降低18.3%.原位红外结果表明中毒后催化剂在180℃下的NH3-SCR反应遵循L-H反应路径.随着温度升高至240、300℃,催化剂上沉积的硫酸氢铵逐渐减少,金属硫酸盐含量增加.不同温度下的抗硫活性结果表明,低温NH3-SCR反应需要较高的氧化还原性能,中高温NH3-SCR反应则需要较高的酸性,金属硫酸盐的生成导致了氧化还原性能降低、酸性增加,因此低温NH3-SCR活性大幅降低,中高温活性则能保持在100%.     

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.     

不同分子筛负载锰铈催化剂的低温NH_3-SCR脱硝性能

分别以β、ZSM-5和USY分子筛为载体,采用浸渍法制备了锰铈催化剂,对其低温NH_3-SCR反应性能进行了评价,并采用XRD、BET、NH_3-TPD、H_2-TPR以及XPS对催化剂进行了表征。结果表明,三种分子筛负载的锰铈催化剂均具有较好的低温NH_3-SCR反应活性,其中,Mn-Ce/USY的催化性能最好,在107℃时NOx转化率可达到90%。负载锰铈后催化剂的比表面积和孔体积均有所下降;活性组分MnOx主要以无定型态分布于催化剂表面,且在ZSM-5上检测到聚集的CeO_2。催化剂表面弱酸对低温NH3-SCR反应起主要作用,催化剂表面上活性组分的表面浓度和氧化态明显不同,较高的Mn~(4+)/Mn~(3+)原子比和吸附氧表面浓度对提高催化剂的低温NH3-SCR反应活性有利。     

WO3改性CeO2-TiO2催化剂的低温NH3-NO/NO2 SCR活性和机理研究

在铈钛基NH3-SCR催化材料中,改性元素对催化材料的酸性位和氧化还原性能的影响较大.本文采用过量浸渍法分别制备了CeO2-TiO2(CeTi)和CeO2/WO3-TiO2(CeWTi)催化剂,研究了CeWTi催化材料结构、酸性位及氧化还原性能对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响.结果发现,CeTi和CeWTi样品均有较优异的NH3-NO/NO2 SCR催化性能,后者略高.WO3的加入增加了催化材料的表面酸性,对其氧化还原性能影响不大.通过对反应中间物种NH4NO3的研究,发现NH4NO3的分解主要与氧化还原性能相关,而NO还原NH4NO3的反应需要氧化还原能力和酸性位共同作用,即在氧化还原性能差异不大的条件下,酸性对该反应起到重要作用.而该反应也是NH3-NO/NO2 SCR的限速步骤,这是CeWTi催化材料活性高于CeTi催化材料的原因.同时,为了获得NH3-NO/NO2 SCR反应的高活性,NO2:NO比例宜为1:1.然而现实情况中,预氧化催化材料的氧化活性、NOx浓度、温度等变量使得准确控制NO2的比例较难,因此,深入了解NO2浓度对NH3–NO/NO2 SCR反应的影响至关重要.本文探讨NO2:NO的比例、O2浓度等对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响;并研究了不同NO2含量条件下NH3-NO/NO2 SCR反应网络.通过分析CeWTi材料上NH3-NO/NO2 SCR反应网络可知,当NO与NO2比例为1:1时,NH3-SCR催化活性最高,并以快速SCR形式进行;当NO与NO2比例为1:1消耗完全之后,剩余的NO或NO2各自独立以标准或慢速SCR进行,不影响其本来的反应活性.催化材料的标准SCR、快速SCR和慢速SCR均取决于材料表面酸度和氧化还原性能,但快速SCR和慢速SCR对材料这两方面性能的要求相对较低.同时O2并不参与快速和慢速SCR,而NO2可以取代O2作为SCR反应中主要的氧化剂,氧化Ce4+为Ce3+,甚至比O2和NO再氧化活性位的能力更强,保持催化材料的高催化活性.低温条件时,慢速SCR和快速SCR反应均在材料表面生成硝酸铵中间物种,但由于慢速SCR气氛中缺乏NO将硝酸铵还原,进而引发快速SCR反应,因此材料表面快速SCR的NOx转化率要高于慢速SCR反应;高温条件下,由于硝酸铵容易热分解,导致硝酸铵的抑制效应不太明显.NH4NO3分解是NO2含量升高后N2O的形成的主要途径.     

负载型铈基催化剂在NH3-SCR反应中的载体效应

近年来,氨-选择催化还原(NH3-SCR)技术被公认为是控制燃煤烟气和柴油车尾气氮氧化物(NOx)排放的最有效手段之一.V2O5-WO3/TiO2和V2O5-MoO3/TiO2催化剂在300–400°C范围内表现出优异的脱硝性能和抗H2O和SO2中毒性能,因而被广泛用于NH3-SCR过程.然而,钒基催化剂存在一些缺点,如氧化SO2到SO3的活性较高、高温下将部分NH3非选择性地氧化成N2O、V2O5具有生物毒性等.因此,非钒基脱硝催化剂的研制引起人们越来越多的关注.二氧化铈(CeO2)因具有氧化还原性能优异、储/释氧能力强和Ce3+/Ce4+转换容易等优点而广泛用于NH3-SCR反应.然而,单纯CeO2的脱硝性能并不理想.研究表明,将CeO2制备成铈基复合金属氧化物催化剂和负载型铈基催化剂可显著提高其在NH3-SCR反应中的催化性能.尤其是负载型铈基催化剂由于催化性能优异、比表面积大、热稳定性高及活性组分用量少而成为研究热点.众所周知,对于负载型金属氧化物催化剂,载体并不只是惰性材料,它会显著影响表面负载组分的物理化学性质和催化性能.因此,关于载体与组分间相互作用的研究常见诸报道.但是,对于负载型铈基催化剂,具有不同晶相结构的载体对其理化性质和NH3-SCR催化性能的影响规律尚不明晰.此外,SiO2,γ-Al2O3,ZrO2和TiO2是工业上常用的四种催化剂载体,它们具有不同的晶相结构和应用场合,究竟哪一个最适合作为负载型铈基催化剂的载体用于NH3-SCR反应尚无定论.因此,为了阐明负载型铈基催化剂在NH3-SCR反应中的载体效应,筛选出最佳的催化剂载体,我们首先采用溶胶-凝胶法和沉淀法合成了SiO2,γ-Al2O3,ZrO2和TiO2四个载体,再通过浸渍法制备了一系列负载型铈基催化剂(CeO2/SiO2,CeO2/γ-Al2O3,CeO2/ZrO2和CeO2/TiO2)用于NH3-SCR反应.并借助于X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、比表面积测定(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气-程序升温还原(H2-TPR)以及氨气-程序升温脱附(NH3-TPD)等表征手段对上述载体和催化剂进行了较为全面的分析.研究结果表明,这些负载型铈基催化剂的理化性质和脱硝性能强烈地依赖于催化剂载体.首先,CeO2/γ-Al2O3催化剂的表面Ce3+含量明显大于CeO2/SiO2,CeO2/ZrO2和CeO2/TiO2催化剂,有利于氧空位的产生以促进NO分子的解离,进而导致优异的NH3-SCR反应性能.其次,CeO2/γ-Al2O3催化剂具有最佳的还原性能,有利于NO氧化为NO2,进而通过"快速NH3-SCR"途径提升其催化性能.再者,CeO2/γ-Al2O3催化剂表面酸性位最多,能够促进反应物NH3分子的吸附与活化,从而提高脱硝性能.最后,CeO2/γ-Al2O3催化剂在H2O和SO2存在的条件下同样表现出最佳的催化性能,表明其有望用于实际燃煤烟气脱硝.     

Monolith Manganese-Based Catalyst Supported on ZrO2-TiO2 for NH3-SCR Reaction at Low Temperature

Monolith catalysts were prepared using TiO₂ and ZrO₂-TiO₂ as supports with MnO₂ as active component and Fe₂O₃ as promoter. The catalytic activities at low temperature and stability at high temperature for selective catalytic reduction of NO_x with NH₃ (NH₃-SCR) in the presence of excessive O₂ were studied after the catalysts calcined at different temperatures. The catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), specific surface area measurements (BET), oxygen storage capacity (OSC), and temperature programmed reduction (H₂-TPR). The results indicated that the catalyst supported on ZrO₂-TiO₂ had excellent stability at high temperature, and possessed high specific surface area and oxygen storage capacity, and had strong redox property. The results of the catalytic activities indicated that the monolith manganese-based catalyst using ZrO₂-TiO₂ as support had evidently improved the activity of NH₃-SCR reduction reaction at low temperature, and it showed great potential for practical application.     

用于NH3选择性催化还原NOx的钒基催化剂

在富氧且有催化剂存在条件下以NH3或尿素为还原剂选择性地还原NOx为N2的技术,即NH3/Urea-SCR技术,是去除固定源和移动源NOx最为有效且应用最广的技术之一,其中最重要的催化剂体系是钒基催化剂。本文从钒基催化剂的组成及其NH3-SCR反应性能、钒基催化剂的活性改进以及钒基催化剂上的NH3-SCR反应机理三个方面对该领域的研究进展做了较为全面的综述,并对NH3-SCR领域可能的发展方向做了展望。传统的V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂以及改性后的钒基催化剂在中温段具有优异的NOx净化效率和抗SO2中毒性能,其中高分散的V5+物种以及多聚的钒酸盐物种为NH3-SCR反应的活性中心。针对采用不同方法制备的或具有不同组成的钒基催化剂体系,多数学者认为NH3-SCR反应按照Eley-Rideal(E-R)机理进行,部分学者认为按照Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理进行,这可能与催化剂的钒负载量以及反应温度区间相关。在后续工作中研究者应结合多种测试手段,具体问题具体分析,综合考虑温度的动态影响以及表面酸碱性对反应物的吸附活化,以得出更为全面、真实的反应机理。系统了解前人在钒基NH3-SCR催化剂领域的研究进展有助于现阶段开发高效稳定、可适应复杂工作条件的钒基SCR催化转化器,同时也对设计合成新型高效、环境友好且抗中毒的非钒基SCR催化剂体系具有一定的参考价值。     

基于NH_3-SCR的CeO_2-TiO_2复合氧化物催化剂:结构与脱硝性能

以TiOSO_4·2H_2O和Ce(NO_3)_3·6H_2O为前驱体,采用共沉淀法制备了不同CeO_2含量的CeO_2-TiO_2复合氧化物催化剂.对样品结构进行了表征,考察了催化剂的NH_3-SCR(NH_3选择性催化还原)反应活性、N_2选择性和抗水抗硫性能.结果表明,随着催化剂中CeO_2含量的增加,催化剂的物相结构、晶粒尺寸及脱硝性能均出现规律性变化,这种改变与样品的酸碱性和氧化还原性能的变化有关.当样品中CeO_2的质量分数约为50%时,催化剂的结构呈无定形态,具有较大的比表面积和较多的氧空位,有利于反应物分子在催化剂表面的吸附和活化,拓宽了催化剂的低温活性窗口并提高了NO的转化率.     

焙烧温度对柴油车氧化催化剂Pt-Pd-（x）ZrO2/Ce0.3Zr0.7O2-Al2O3性能的影响

制备了氧化铝、铈锆固溶体复合氧化物负载铂、钯的双金属催化剂Pt-Pd/ Ce0.3Zr0.7O2-Al2O3,并添加3% ZrO2助剂改性,用于柴油车尾气中CO、HC和NO的催化氧化,其中贵金属负载量仅为0.68 wt%。考察了制备过程中焙烧温度对催化剂性能的影响。催化剂活性评价结果表明,与未添加ZrO2的催化剂比较。添加ZrO2明显提高了催化剂的低温氧化活性,而且焙烧温度对催化剂的氧化性能有较大影响。焙烧温度为800 ?C时,CO和C3H6的起燃温度最低,分别为168、189 ?C,焙烧温度为700 ?C时,NO转化为NO2的转化率最高,最大转化率为36%,具有较好的热稳定性。通过XRD、N2吸附-脱附、CO化学吸附、XPS、H2-TPR等表征手段考察了催化剂物理化学性质随焙烧温度的变化情况,并分析了与催化剂活性之间的关系,得到贵金属分散度、表面化学吸附氧含量、催化剂的还原性质对氧化性能有重要影响,发挥协同作用。进而可以通过优化焙烧温度提升柴油车氧化催化剂性能,对提高工业应用柴油车尾气后处理系统的净化效率有重要意义。     

制备方法对MnOx-CeO2催化剂理化性质及低温NH3-SCR脱硝性能的影响

随着人们环保意识的增强,氮氧化物(NOx)的危害引起广泛关注.NOx作为首要的大气污染物之一,主要来源于以燃煤电厂为代表的固定源和以机动车为代表的移动源.它不仅能够导致酸雨和光化学烟雾,而且还是PM2.5的重要前驱体,严重危害人类健康和植物生长.因此,NOx的治理迫在眉睫.研究表明,氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术是控制固定源NOx排放最经济有效的方法.商业化V2O5-WO3/TiO2和V2O5-MoO3/TiO2脱硝催化剂的最佳工作温度窗口为300?400℃.因此,NH3-SCR脱硝设施通常安装在除尘器和脱硫装置之前以满足最佳工作温度需要.然而,在这种情况下,脱硝催化剂容易因烟气中的飞灰和含硫化合物堵塞、中毒而失活.此外,对于老电厂增加脱硝设施的改造工程,在除尘器和脱硫装置之前没有足够的空间用于安装脱硝设施.因此,开发环境友好型低温NH3-SCR脱硝催化剂显得尤为重要,因为它可以直接安装在除尘器和脱硫装置之后,从而有效减缓脱硝催化剂失活,有利于改造工程的施工.研究表明,锰基催化剂由于其优异的氧化还原性能和氧迁移能力有利于氧化NO为NO2,促进反应沿着"快速NH3-SCR"途径进行,从而表现出优异的低温脱硝性能.然而,其N2选择性、抗水性能和工作温度窗口还有待改善.因此,开发既具有高催化活性又具有宽工作温度窗口、优异抗水性能以及理想N2选择性的低温脱硝催化剂仍是一个富有挑战性的课题.二氧化铈(CeO2)由于具有优异的氧化还原性能、良好的储/释氧能力、丰富的氧空位以及Ce4+/Ce3+的轻易切换而被广泛用于NH3-SCR反应.因此,将锰氧化物(MnOx)与CeO2相结合而制备的MnOx-CeO2催化剂可能会表现出优异的低温脱硝性能.而催化剂的理化性质和催化性能还强烈地依赖于其制备方法.因此,本文采用不同方法(机械混合法、浸渍法、水热法、共沉淀法以及溶胶-凝胶法)制备了一系列MnOx-CeO2催化剂用于低温NH3-SCR反应,并运用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气物理吸附、氢气程序升温还原(H2-TPR)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)以及原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)等表征技术对催化剂进行了系统分析.重点考察了制备方法对MnOx-CeO2催化剂理化性质和催化性能的影响.结果表明,低温脱硝性能有如下顺序:水热法>溶胶-凝胶法>共沉淀法>浸渍法>机械混合法.这与催化剂表面Ce3+和Mn4+含量、氧空位和表面吸附氧物种浓度以及酸量和酸强度顺序一致.这些性质都与MnOx和CeO2之间的电子相互作用(即Mn3++Ce4+?Mn4++Ce3+)密切相关.特别是水热法制备的MnOx-CeO2催化剂(MnCe-HTM)由于Mnn+掺入到CeO2晶格形成铈基固溶体(含Mn-O-Ce结构)以及水热过程中的高温高压环境加强了MnOx和CeO2之间的电子相互作用,从而表现出优异的理化性质、最佳的低温脱硝性能以及理想的抗水性能.     

过渡金属氧化物催化剂上NH3 分解Claus反应机理研究

运用浸渍法制备了七种过渡金属氧化物催化剂.对于NH3 分解反应均可获得很高的NH3转化率;对于NH3分解Claus反应则可以获得较高的SO2转化率和单质硫选择性.通过比较发现Co3O4-TiO2和Fe2O3-TiO2催化剂的低温活性比较高.经过XRD表征发现,在NH3分解Claus反应中,催化剂的活性相可能是过渡金属硫化物.结合活性评价和XRD表征结果提出了NH3分解Claus反应的机理.