V2O5-CeO2/TiO2-ZrO2催化剂表征及NH3还原NOx性能

商业选择性催化还原(SCR)催化剂V2O5-WO3(MoO3)/TiO2存在反应温度窗口窄(300–400 oC)和SO3转化率高等缺点,同时占催化剂总质量80%以上的载体TiO2比表面积小,热稳定性差.已有研究发现TiO2-ZrO2固溶体具有较大的比表面积和较强的表面酸性, TiO2与ZrO2的摩尔比为1：1时其比表面积达到最大. CeO2作为SCR催化剂的组成部分,由于其优良的储氧和放氧能力受到广泛关注.研究表明, CeO2-CuO, Ce/Ti-Si-Al和Mo2O3(Co2O3)/Ce-Zr等催化剂具有优良的SCR脱硝活性,同时对V2O5-WO3/TiO2催化剂进行CeO2改性,可提高催化剂的抗SO2中毒能力.实际烟气组分中同时存在SO2和H2O,必定会导致催化剂硫酸盐中毒,而目前对含Ce催化剂的硫酸盐中毒情况研究较少,因此开发新型高效脱硝催化剂十分必要.前期我们研究了xCeO2-3%V2O5/TiO2-ZrO2催化剂,发现CeO2可以显著拓宽脱硝温度窗口,同时增强催化剂酸性位点,但是V2O5含量较高时对环境及人体健康均有较大危害.本文采用共沉淀法制备摩尔比为1：1的TiO2-ZrO2固溶体,用浸渍法负载不同摩尔比的CeO2和1%的V2O5,得到一系列V-xCe/Ti-Zr催化剂,结合X射线衍射(XRD)、比表面积测试(BET)、高分辨透射电镜(HRTEM)、程序升温还原(H2-TPR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)和程序升温脱附(NH3-TPD)等手段分析催化剂的晶相、活性物质分散程度、氧化还原性质及表面酸性,在200–450 oC范围内考察Ce掺杂催化剂选择性催化还原NOx的脱硝活性,并在250 oC测试催化剂在NH3+NO+O2+SO2+H2O气氛中的脱硝活性,研究催化剂抗硫酸盐中毒能力.研究发现,CeO2掺杂可以拓宽脱硝反应活性窗口, V-0.2Ce/Ti-Zr (摩尔比Ce：Ti =0.2)表现出最优的脱硝性能,在250–350oC范围内脱硝效率均在92%以上,同时与前期研究结果对比发现CeO2含量较高时会导致高温段NOx转化率下降. XRD和HRTEM结果表明,ZrO2的添加可以显著降低载体TiO2的结晶度,复合氧化物TiO2-ZrO2呈无定形态, CeO2高度分散于载体之上,并且催化剂以单晶形式存在. H2-TPR结果表明,CeO2能显著提高催化剂的还原能力,主要的还原反应发生在CeO2的α(200–430oC)和β(430–600 oC)还原峰上,总体而言, V-0.2Ce/Ti-Zr表现出最大的氢气消耗量,即其还原性最强.低V2O5负载有利于较低温度SCR反应, V-0.3Ce/Ti-Zr的钒氧化物还原峰强度最大,其次是V-0.2Ce/Ti-Zr. NH3-TPD测试发现V2O5/TiO2主要存在中强酸及强酸,而V2O5/TiO2-ZrO2主要是弱酸, CeO2负载后随着其含量提高,弱酸强度增加.结合氨气原位漫反射红外光谱发现, CeO2可以增加催化剂Br?nsted和Lewis酸位数量,同时出现反应中间物–NH2, V2O5的负载量较高会抑制1660 cm–1处Br?nsted酸吸收峰的出现. BET结果发现, TiO2-ZrO2和V2O5/Ti-ZrO2比表面积分别可达255.73和143.77 m2/g, V2O5/TiO2仅为66.1 m2/g,表明ZrO2的添加可以显著增大催化剂比表面积,进而有利于SCR反应进行,沉积的氧化物进入载体孔道导致催化剂比表面积降低. V2O5-xCeO2/TiO2-ZrO2表现出较强的抗SO2中毒能力,但是在H2O存在条件下脱硝活性较差,可能是生成的硫酸铵盐及亚硫酸盐阻塞催化剂孔道所致. SO2和H2O停止通入后, V2O5-0.3CeO2/TiO2-ZrO2活性恢复至原有水平, V2O5-0.2CeO2/TiO2-ZrO2恢复至最初的84%.对中毒催化剂进行不同反应温度下的活性测试,发现V2O5-0.2CeO2/TiO2-ZrO2在中温段反应活性显著降低,可能是由于Ce(SO4)2的形成所致,由于V2O5-0.3CeO2/TiO2-ZrO2的Ce含量较高,其在此温度范围内活性依旧较高.两者在高温段NOx转化率均较高,推测是V2O5开始发挥活性组分作用的缘故.     

氨法选择性还原氮氧化物 V2O5/TiO2-PILC催化剂的抗硫性能

选择性催化还原(SCR)是目前去除氮氧化物最有效的方法之一. V2O5/TiO2催化剂被广泛应用于氨法选择性还原氮氧化物(NH3-SCR)反应,但该催化剂存在工作温度高(300–400oC)及 SO2氧化率高引起设备腐蚀和管路堵塞等问题,开发低温 SCR催化剂具有重要意义.过渡金属氧化物(如 Fe2O3, MnOx和 CuO等)催化剂用于低温SCR先后见诸文献报道,但这些催化剂在 SO2和 H2O存在下易失活.近年来柱撑黏土(PILC)引起科学家广泛关注, Yang等首次将 V2O5/TiO2-PILC催化剂应用于 NH3-SCR反应,发现其催化活性高于传统 V2O5/TiO2催化剂.柱撑黏土基催化剂在 NH3-SCR反应中也显示出良好抗硫性能,但 V2O5/TiO2-PILC催化剂的抗硫机理至今尚未见深入研究.因此我们制备了一系列 V2O5/TiO2-PILC催化剂,采用原位漫反射红外等方法详细研究了其抗硫性能较好的原因.
　　首先采用离子交换法制备出 TiO2-PILC载体,之后采用浸渍法制备了不同钒含量(质量分数x/%=0,3,4,5)的xV2O5/TiO2-PILC催化剂.同时,制备了传统 V2O5/TiO2和 V2O5-MoO3/TiO2催化剂作为对比.活性评价结果显示,4V/TiO2-PILC催化剂具有最高的催化活性,其催化性能与传统钒钛催化剂相当.在160oC时, NO转化率可达80%以上.同时,4V/TiO2-PILC催化剂还具有较宽的反应温度窗口,在260–500oC范围内, NO转化率保持在90%以上.向反应体系中加入0.05% SO2和10% H2O后,在低温(160oC以下)时所有催化剂的反应活性都有一定提高,可能是由于 SO2的加入提高了催化剂的表面酸性.继续升高温度,4V/TiO2和4V6Mo/TiO2催化剂活性均明显下降,而4V/TiO2-PILC催化剂的活性则未出现明显下降.原位漫反射红外光谱结果显示, SO2在三种催化剂表面的吸附以表面硫酸盐或亚硫酸盐物种以及离子态 SO42–物种形式存在,而在4V/TiO2-PILC催化剂表面离子态 SO42–物种的量最少. X射线光电子能谱及 O2程序升温脱附结果显示,在4V/TiO2-PILC催化剂上,表面吸附氧(Oads)的量最少.综合上述分析可以得出,在 SO2气氛下,离子态 SO42–物种在 SCR催化剂表面的累积可能是导致其失活的主要原因,而离子态 SO42–物种的形成可能与催化剂表面吸附氧的量有关.     

V2O5-CeO2/TiO2催化剂上低温氨选择性催化还原NO的性能

考察了V2O5-CeO2/TiO2催化剂中V、Ce活性组分的担载量和焙烧温度对催化剂低温催化还原NO活性的影响及其在单独SO2、H2O和两者共存气氛下的抗毒化性能。结果表明,焙烧温度400℃下制备的5V30Ce/TiO2催化剂具有良好的低温催化还原NO活性,空速为10000h-1,165℃时NO转化率达99.2%;500℃以下低焙烧温度时,添加的Ce不与V相互作用,在催化剂表面主要以CeO2形式存在,有利于增大催化剂比表面积,增强V2O5在催化剂上的分散度,提高催化活性。而在500℃以上较高焙烧温度下,Ce与V会形成CeVO4,对活性提高不利。催化剂具有良好的低温抗水中毒性能,但受SO2毒化作用明显,其在SO2、H2O共存气氛下中毒程度较单独SO2下浅。     

V2O5-WO3/TiO2-ZrO2脱硝催化剂中 ZrO2和 WO3的促进作用：催化性能、形态及反应机理

商业选择性催化还原(SCR)催化剂成分主要有 V2O5, WO3和 TiO2,但适用温度窗口较窄(300?400℃),使得实际操作过程中活性较低.目前,过渡金属广泛应用于催化剂制备中以提高其催化活性.相比于纯 TiO2和 ZrO2载体, TiO2-ZrO2具有较高的热稳定性以及较多的酸位,虽然有关 TiO2-ZrO2为载体的催化剂研究较多,但未与商业催化剂进行对比研究.而针对 NH3-SCR脱硝机理的实验研究也存在一些争议,主要原因归为以下两方面：(1)多数催化剂不同会直接导致催化剂的活性酸位不同;(2)不同 NH3-SCR脱硝催化剂的起活温度不同.同时, NH3和 NO在反应温度的吸附情况仍需要进一步研究.因此,有必要深入探究 NH3-SCR脱硝机理,以解决现行研究中存在的问题.本文首先采用共沉淀法制备摩尔比为1：1的 TiO2-ZrO2固溶体,并分步浸渍不同质量比的 WO3和1%V2O5,最终得到一系列1%V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2.然后通过 X射线衍射(XRD)和比表面积测试(BET)、程序升温还原(TPR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)研究了 WO3和 ZrO2对催化性能的影响以及 V2O5-WO3/TiO2-ZrO2催化剂的反应机理. N2物理吸附结果表明, WO3的添加使得催化剂孔结构的热稳定性有所提高,同时随着 WO3含量增加催化剂的比表面积逐渐减小,但仍高于 V2O5/TiO2-ZrO2催化剂; ZrO2对催化剂比表面积增大效果比较明显.结合 XRD结果表明, WO3能促进金属氧化物在载体上的分散;相比于 V2O5-WO3/TiO2催化剂, ZrO2有利于活性组分的分散负载.比较系列 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2的氨吸附情况,发现 WO3的添加增加了 Br?nsted酸的稳定性,其中以9%WO3的效果最显著.催化剂氨吸附中间物种(–NH2)的发现,证实了 WO3添加促进了 NH3的活化,有利于脱硝反应的进行. SCR反应结果显示, V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂在300–450oC时 NOx转化效率最优,并发现 O2的存在促进了 NOx的转化.采用in situ DRIFTS研究了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂脱硝机理,300和350oC时 NH3, NO, NO + O2吸附情况表明,在真实的反应温度下,脱硝过程中的活性中心为 Lewis酸中心, Br?nsted酸中心的 NH4+极易从催化剂表面脱附,无法吸附在催化剂表面,且与 NH3相比, NO只能以 NO2的形式弱吸附在催化剂表面.因此,该催化剂遵循 Eley-Ridel脱硝机理.而 V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂具有相对较高的脱硝效率,因此用来着重研究 NH3-SCR机理.在 NH3吸附过程中, NH3(1204,1602,3156,3264,3347 cm?1)和活性中产物 NH2(1550 cm?1)在催化剂表面的吸附(恒温300oC)是稳定的;随后通入 NO + O2时, NH3吸附过程中的所有吸收峰(包括 NH2)均逐渐减小(NH3吸附态与 NO结合后分解为 N2和 H2O),同时出现 H2O的振动峰,这证明了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂的脱硝反应过程.各类气体吸附情况表明, NO在商业催化剂的吸附状态与 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂相同;但 NH3吸附结果表明, Br?nsted酸中心和 Lewis酸中心都是催化剂的活性中心; NO + O2的通入使得催化剂表面的 NH3和 NH4+都逐渐消失.这两种催化剂脱硝反应过程差异主要在于催化剂表面活性中心的不同,导致了不同的 NOx脱除路径.通过in situ DRIFTS比较 O2的存在对脱硝反应产生的不同影响来确定 O2的作用.两类催化剂上 O2均参与了 H2O的形成,促进了催化反应的完成;当 O2不存在时, NO的还原受到了极大地抑制,同时也未出现 H2O;两者的脱硝效率大大降低. H2-TPR和 NH3-TPR结果进一步证实 O2的作用主要是氧化 NO及参与催化过程 H2O的形成.     

Mo的引入方式对CeO2脱硝性能的影响

固定源排放的氮氧化物(NOx)导致了严重的环境污染问题,NH3选择性催化还原(NH3-SCR)被认为是目前控制NOx排放的最有效技术,已广泛应用于电力行业的烟气排放治理.然而,我国非电行业的NOx减排仍然面临着重大挑战,因为其排放的废气温度通常低于300oC,且含有一定量的SO2,传统的钒基SCR催化剂因活性温度(300～400oC)较高而无法有效发挥作用.因此,亟待开发新型的高效低温SCR催化剂.铈基催化剂由于氧化铈(CeO2)的优异储氧能力(OSC)和良好的氧化还原能力而显示出较好的低温(80～300oC)脱硝性能,如Mn-Ce,W-Ce,Ta-Ce,Cu-Ce和Nb-Ce等.但这些铈基催化剂易被烟气中的SO2毒化而导致催化活性降低.因此,提高铈基SCR催化剂抗硫中毒能力是其产业化应用的关键.已有研究发现,通过构筑结构保护层或添加另一种金属来保护活性组分是提高SCR催化剂抗硫性能的一种可行策略.氧化钼(MoO3)通常被用做传统V2O5/TiO2催化剂的促进剂以提高其水热稳定性和表面酸性.研究表明,在V/Ti催化剂中引入钼物种不仅可以提高其SCR活性,而且提高了V/Ti催化剂的抗SO2性能,这是由于VMo/Ti表面较少的V–O–V键削弱了对SO2的氧化作用.Tang等开发了一种Fe2O3/MoO3纳米片催化剂,显示出比纯Fe2O3更好的抗SO2能力,主要是由于层状结构的MoO3能阻止NH4+在硫酸氢铵中的沉积.目前关于Mo的引入方式即催化剂的制备方法对铈基催化剂物化性能和NH3-SCR催化性能(特别是抗SO2能力)的影响的研究还比较少.本文分别采用浸渍法和沉淀法在CeO2中引入钼物种,制备了Mo-CeO2和MoCe-cp催化剂来探究制备方法对MoCe催化剂的脱硝性能及抗SO2中毒能力的影响.结果表明,引入Mo可以显著地提高CeO2的低温脱硝性能,其中Mo-CeO2催化剂在150 oC即可达到80％以上的脱硝效率,同时抗SO2中毒性能也得到了显著提高.对催化剂结构、氧化还原能力、表面酸度和反应物分子的吸附脱附性质进行了表征,并与MoCe催化剂脱硝性能和抗硫性能相关联.结果表明,Mo-CeO2和MoCe-cp催化剂的物理化学性质和脱硝性能有明显区别.首先,Mo-CeO2中的钼物种主要存在于CeO2表面,而MoCe-cp中的钼物种主要存在于CeO2体相,其为Mo-CeO2表面带来大量的Br?nsted酸位并抑制了硝酸盐的吸附,促使NH3-SCR反应按照Eley-Rideal机理进行,进而表现出优于MoCe-cp的低温活性.其次,Mo-CeO2表面更多的Mo物种抑制了SO2的吸附,从而使Mo-CeO2表现出更好的抗SO2性能.本文为具有实际应用前景的铈基NH3-SCR催化剂的设计提供了参考.     

硫酸化对CeO2-ZrO2催化剂上NH3选择催化还原NO反应的影响

由发电厂等固定源和柴油机等移动源排放的一氧化氮(NO)造成的环境污染问题日益严重.随着严苛的排放法规出台,NO排放控制技术受到越来越多关注.NH3选择性催化还原(SCR)技术是目前去除NO应用最为广泛的方法之一.商业催化剂V2O5-WO3/TiO2在300–400℃温度窗口内显示出优越的NO去除效率,但仍存在一些问题,如钒氧化物的毒性以及在高温时形成N2O和SO3.因此,开发出低钒或无钒的新型催化剂是解决上述问题的关键.CeO2和含铈材料是重要的催化剂载体,具有良好的还原能力和氧存储功能,因而广泛应用于催化领域.CeO2添加到商用催化剂中不仅可以降低钒用量,而且可以提高催化剂抗碱金属中毒能力.CeO2-WO3催化剂在200℃以上时比商用催化剂具有更宽的温度窗口,并展现出较高的抗SO2和碱金属中毒能力.CeO2-ZrO2催化剂通过添加过渡金属元素可以提升其SCR活性,在较宽的温度窗口内具有较高的催化活性.废气中SO2可导致催化剂失活,在实际应用中催化剂硫中毒是较为常见的催化剂失效原因.通常情况下,锰基和铁基催化剂最容易硫中毒.然而CeO2催化剂在硫酸化处理后却展现出良好的SCR活性.催化剂硫酸化主要包括气相、液相和前驱体硫化三种方法.三种方法各有异同,但在催化剂表面形成的硫物种都是SO42–.硫酸化可以增强Ce基催化剂的SCR活性,但是对于硫化引起的催化剂表面酸性、氧化还原性以及NO吸附脱附性质的详细研究报道较少.本文通过液相法对CeO2-ZrO2(CeZr)催化剂进行了硫酸化.XRD结果表明,硫酸化并未对催化剂结晶结构产生影响.TPD和TPR结果表明,硫酸化后催化剂(S-CeZr)表面酸性增强,但抑制了其氧化性.通过原位红外光谱技术系统研究了催化剂在SCR反应过程中表面物种的变化,结果发现,CeZr和S-CeZr的催化机理相同,不同的SCR活性主要是由表面酸性和氧化性引起的.CeO2基催化剂在不同温度窗口遵循不同反应机理.CeZr催化剂具有较强的氧化还原性,使其对NO和NH3具有很强的氧化能力,所以其在低于200℃时具有较好的SCR活性.而S-CeZr催化剂具有更多的Br?nsted酸性位,导致NO不易吸附在催化剂表面,所以其在低温时SCR活性较差,但在高温时(>200℃)具有优良的SCR活性.通过SCR活性和反应机理研究,发现在高温时(>200℃),表面酸性尤其是强酸Br?nsted酸性位在SCR反应中起到决定性作用;而在低温时(<200℃),酸性位对NH3分子较强的键合作用导致NH3难以被氧化,所以较强的酸性位对SCR活性具有抑制作用,而氧化还原性在低温时对SCR反应起到主要作用.同时,在高温时,较高的氧化性可使NH3被O2直接氧化,导致N2选择性降低.     

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.     

V_2O_5/赤铁矿催化剂结构及其NH3选择性催化还原NO_x性能（英文）

以水热合成针铁矿为前驱体浸渍偏钒酸铵,分别于300,400和500°C空气中焙烧,制备了不同活性组分负载量的V2O5/赤铁矿(V/H)催化剂,用于氨选择性催化还原(SCR)脱硝.采用X射线衍射、透射电子显微镜、比表面积分析仪、程序升温还原及程序升温脱附等方法对催化剂结构进行了表征,并用标气配制模拟烟气进行了脱硝实验.结果表明,300°C煅烧3%V/H催化剂当烟气温度为250–300°C时NO转化率均可达95%以上;当配气中单独加入水蒸气或低浓度SO2(0.01%)时,V/H催化脱硝的活性不受影响;当系统加入高浓度的SO2(0.03%与0.05%)或同时添加H2O与SO2时,SCR脱硝效率下降,其机制可能是SO2在催化剂表面竞争吸附所致,停止添加后,催化活性迅速恢复.     

Pt/CeO2-ZrO2变换催化剂的制备、表征与性能

 用共沉淀法制备了不同Ce/Zr比的CeO2-ZrO2复合氧化物,用浸渍法制备了Pt/CeO2-ZrO2水煤气变换催化剂,并对该催化剂进行了活性评价. 结果表明,与传统的Cu基低变催化剂相比,该催化剂具有操作温度范围宽和抗氧化冲击等优点,具有应用于车载重整制氢过程的潜力. 考察了温度、空速和汽/气比等条件对催化剂活性的影响,对催化剂的制备参数和工艺参数进行了研究. 结果表明,不同Ce/Zr比的Pt/CeO2-ZrO2催化剂的活性相差很大,其中Pt/Ce0.8Zr0.2O2变换催化剂活性最高. XRD结果表明,制备的Pt/Ce0.8Zr0.2O2形成了固溶体. 通过增加单位质量催化剂表面的Pt原子数可提高催化剂的活性.     

Cr改性钒基催化剂对NH3低温选择性催化还原NOx的影响

火电厂和机动车辆等的NOx排放量与日俱增, NOx的治理已成为环境保护的重要组成部分.以NH3作为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术是目前消除NOx最为高效的方法之一.该反应最为典型的催化剂是V2O5–WO3(MoO3)/TiO2,催化活性窗口为250–400 oC.国外通常将SCR系统置于省煤器之后,此时烟气温度在300 oC以上,催化剂能保持较高的活性,但易受到烟气中高浓度烟尘、SO2和碱金属等的影响,寿命相对较短.此外,高温工艺中副产物硫酸铵的堵塞也是一个不可忽视的问题.因此,将SCR脱硝装置设在脱硫除尘之后成为一种优选技术之一,但烟气温度会降至250 oC以下,而常规的钒基催化剂不能满足低温活性要求.通过添加助剂或改变载体可改善钒基催化剂的低温活性,同时保持其高效的抗硫能力.
　　本文以Cr和V为活性组分, TiO2为载体,采用浸渍法制备了铬钒钛(Cr–VOx/TiO2)系列催化剂,考察了它们的低温脱硝活性和抗水抗硫性,并通过N2吸附-脱附、X射线衍射、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)和X射线光电子能谱等手段对催化剂进行了表征,分析了Cr–V催化剂的作用机制.
　　结果显示,当n(Cr)：n(V)为0.2：0.8,活性组分负载量为10 wt%时, Cr–VOx/TiO2催化剂表现出最佳的低温催化活性;当反应温度为160°C时, NOx转化率达到90%以上,明显优于其他催化剂,同时活性窗口(160–300°C)得到拓宽. NH3-TPD结果表明, VOx/TiO2催化剂表面呈中弱酸性,随着Cr的添加,钒基催化剂的NH3脱附峰向高温拓宽,说明其表面强酸量有所增加, Cr0.2–V0.8/TiO2在160–300°C范围内均出现了NH3的脱附峰,此时催化剂表面弱酸量最大.当n(Cr)：n(V)大于0.2：0.8时,催化剂表面出现强酸位,这种强酸位不利于NH3脱附,从而不利于SCR反应的进行.因此适量Cr的添加有助于提高钒基催化剂表面弱酸及中性酸量. H2-TPR结果发现,助剂Cr的添加使得催化剂表面氧量增加,这可能是由于Cr的添加形成了较多的氧空穴和未饱和的化学键.催化剂表面化学吸附氧是氧化还原反应最活跃的氧物种,在SCR反应中,表面氧可作为NO的吸附介质参与到催化剂表面反应中,可有效提高SCR反应速率.通过考察活性组分负载量对催化剂活性的影响,发现不同负载量催化剂的催化活性依次为10 wt%>20 wt%>50 wt%>5 wt%. XPS分析发现,当负载量为10 wt%时,催化剂表面非计量的钒离子和化学性质活跃的自由电子最多,因此表现出最佳的SCR活性;当负载量过高时,大量氧化物堆积烧结形成V2O5和Cr2V4O13,覆盖了钒离子活性位点,降低了催化剂脱硝效率.
　　催化剂在220°C表现出良好的抗硫性,在通入100 ppm SO212 h后NOx的转化率仍可达99%以上,并未出现硫中毒现象.同时该催化剂也表现出较好的抗水性,在通入10 vol%水蒸气12 h后, NOx转化率仍能达85%以上.     

表面Mo修饰提高CeTiO_x催化剂低温脱硝性能（英文）

近年来,以雾霾为代表的大气污染问题严重影响到经济社会的可持续发展.其中,氮氧化物(NOx)的大量排放是导致雾霾天气的重要原因之一.氨选择性催化还原(NH3-SCR)是目前消除氮氧化物的主流技术,低温NH3-SCR更是广泛应用于钢铁、焦化、水泥、玻璃、陶瓷和垃圾焚烧等行业的烟气排放治理.传统的V2O5-WO3/Ti O2催化剂活性温度高(300–400 oC)且钒具有生物毒性,因此亟待开发环境友好的低温非钒基脱硝催化剂.最近, Ce Ti Ox基催化剂由于在中高温段(250–400 oC)表现出优异的脱硝性能而得到广泛关注.然而,该催化剂仍面临低温活性差及抗硫性能差的问题,制约了其工业化应用.研究显示,添加过渡金属可提高Ce Ti Ox基催化剂的脱硝活性和抗硫中毒性能,这主要是因为过渡金属的添加可以有效改善催化剂的氧化还原性能和表面酸性.Mo O3作为一种可以提供大量酸性位的氧化物,常被用作助剂改善钒钨钛催化剂的活性.研究显示, Mo O3的引入可以促进催化剂中钒物种的分散度以及提高表面酸性.基于此,我们制备了一系列不同Mo含量的Mo O3/Ce Ti Ox催化剂,以期提高Ce Ti Ox催化剂的低温脱硝性能及抗SO2中毒能力,并着重研究表面Mo的修饰对Ce Ti Ox催化剂物理化学性质的影响.研究发现,表面Mo修饰可以显著提高Ce Ti Ox的低温催化活性,其脱硝效率在150 oC即可达到80%,同时抗SO2中毒能力也得到增强.进一步借助X射线衍射、比表面积测定、氢气程序升温还原、氨气程序升温脱附和X射线光电子能谱等方法对催化剂进行了全面表征分析.结果显示,表面Mo修饰对Ce Ti Ox催化剂物理化学性质的影响与其脱硝性能有着密不可分的关系.首先,钼物种主要是以Mo O3的形式存在于Ce Ti Ox表面,其最佳的负载量为4wt.%.其次,表面Mo的沉积显著提高了催化剂的表面酸量,尤其是Br?nsted酸位的数量,而表面酸位的增加有利于催化剂吸附与活化反应物种NH3;同时,表面Mo修饰还减弱了硝酸盐在催化剂表面的吸附,进一步促使NH3-SCR反应按照Eley-Rideal机理顺利进行.最后,该催化剂在H2O和SO2存在的条件下仍具有最佳的脱硝性能,因而有望用于实际含SO2的低温烟气脱硝.     

SO_2和H_2O对CeO_2/TiO_2/堇青石催化剂选择催化还原NO_x性能的影响

采用浸渍法制备了以堇青石为基底、氧化铈为活性组分的整体式脱硝催化剂CeO2/TiO2/堇青石催化剂。通过与商业钒基催化剂(V2O5-WO3/TiO2/堇青石)的对比研究发现,CeO2/TiO2/堇青石催化剂表现出了优良的抗硫抗水性能,经过30 h抗硫抗水实验,CeO2/TiO2/堇青石催化剂的氮氧化物转化率仍能保持在70%以上,仅下降了5%。BET、XRD、FT-IR和TG表征结果表明,在含硫含水气氛中反应时,CeO2/TiO2/堇青石和V2O5-WO3/TiO2/堇青石催化剂表面均有硫酸铵盐的生成,且前者的生成量明显低于后者。NH3-DRIFT分析结果表明,在含硫含水气氛中两种催化剂表面Brnsted酸性都被增强,而Lewis酸性有所减弱。进一步的XPS分析结果表明,烟气中的SO2+H2O会使催化剂表面Ce4+向Ce3+发生转化,从而导致化学吸附氧含量增加,这是CeO2/TiO2/堇青石催化剂具有优良抗硫抗水性能的重要原因。     

钛白粉载体对选择性催化还原脱硝催化剂性能的影响

钛白粉(TiO2)是钒钛类选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂的载体,TiO2的晶型、比表面积、粒度、孔结构以及SO42-和P2O5含量直接影响所制备的SCR催化剂的性能。一般而言,TiO2的比表面积越大,以其制备的SCR催化剂的比表面积也越大,活性也较高;但对于纳米级TiO2,由于颗粒粒径太小,容易发生烧结,而且形成钒钛化合物,导致催化剂比表面积较载体明显下降,因而活性降低。锐钛型TiO2由于比表面积大和不易被硫化,较金红石型TiO2适合做载体。多孔结构的TiO2使得钒物种在载体表面处于高度分散状态,从而提高催化剂的活性。TiO2中本身含有的少量SO42-和P2O5有助于提高催化剂的性能。     

Ce0.67Zr0.33O2对CH4燃烧催化剂Fe2O3/Al2O3的改性作用

固定n(Ce)/n(Zr)比为0.67/0.33,用共沉淀法制得一系列CeO2-ZrO2-Al2O3固溶体.采用这些固溶体作载体,以Fe2O3为活性组分,用浸渍法制备了一系列催化剂.BET结果显示,将适量Ce0.67Zr0.33O2引入到Al2O3载体中有助于催化剂保持较高的比表面积.TPR结果显示,载体中引入适量的Ce0.67Zr0.33O2可以改善催化剂的氧化还原性能.XRD结果表明,Fe2O3在CeO2-ZrO2-Al2O3载体上呈现出良好的分散状况,老化前后催化剂的晶相结构基本无明显变化.特别是当载体中m(Ce0.67Zr0.33O2)∶m(Al2O3)的值为1∶2时,Fe2O3/CeO2-ZrO2-Al2O3催化剂在甲烷催化燃烧中显示出最佳的催化性能和抗高温老化性能.     

Ce0.67Zr0.33O2对CH4燃烧催化剂Fe2O3/Al2O3的改性作用

固定n(Ce)/n(Zr)比为0.67/0.33, 用共沉淀法制得一系列CeO2-ZrO2-Al2O3固溶体. 采用这些固溶体作载体, 以Fe2O3为活性组分, 用浸渍法制备了一系列催化剂. BET结果显示, 将适量Ce0.67Zr0.33O2引入到Al2O3载体中有助于催化剂保持较高的比表面积. TPR结果显示, 载体中引入适量的Ce0.67Zr0.33O2可以改善催化剂的氧化还原性能. XRD结果表明, Fe2O3在CeO2-ZrO2-Al2O3载体上呈现出良好的分散状况, 老化前后催化剂的晶相结构基本无明显变化. 特别是当载体中m(Ce0.67Zr0.33O2)∶m(Al2O3)的值为1∶2时, Fe2O3/CeO2-ZrO2-Al2O3催化剂在甲烷催化燃烧中显示出最佳的催化性能和抗高温老化性能.     

过渡金属（Cu，Fe，Mn，Co）改性高分散V2O5/TiO2作为高效NH3-SCR脱硝催化剂

选择性催化还原(SCR)是目前固定源及移动源中控制NOx排放最为有效的技术手段之一.工业上应用最广泛的商业SCR催化剂是钒基催化剂.钒基催化剂经钨(钼)改性后具有较好的活性、稳定性和抗水抗硫性能,但在应用过程中仍存在N2选择性较低、活性温度窗口(300–400 oC)较窄及高温下V2O5极易流失等不足,且钨(钼)的价格十分昂贵.因此,用廉价组分提高钒基催化剂的催化性能在实际工业应用中仍具有重要意义.研究发现,很多非贵金属(如Cu, Fe, Mn, Co, Ce, Zr, Nb, Sn, La等)都可以代替钨(钼)用来提高钒基催化剂的选择性、活性温度窗口和(热)稳定性能等.引入的金属通常以氧化物或钒酸盐形式存在,并与活性组分钒物种有很强的相互作用,从而提高钒物种的氧化还原性能及分散度,同时增大表面酸性位数量,抑制锐钛矿向金红石相转变.近年来很多研究发现,经金属改性的钒基催化剂以钒酸盐形式存在时可有效提高催化剂活性和 N2选择性,尤其可显著提高催化剂的(热)稳定性.本文采用浸渍法以廉价易得、储量丰富的过渡金属改性钒基催化剂,得到高度分散的M-V/TiO2(M = Cu, Fe, Mn, Co)脱硝催化剂.结果发现, Cu-V/TiO2和Fe-V/TiO2催化剂表现出较好的催化活性和N2选择性以及优异的稳定性和抗H2O/SO2性能,其中Cu-V/TiO2的工作温度窗口扩展到225–375oC. X射线衍射、拉曼光谱和EDX-mapping表征结果证明,钒物种及引入的金属高度分散在TiO2载体表面,并生成了钒酸盐.氢气程序升温还原结果表明,钒酸盐的形成导致钒物种的还原峰向低温区移动,有利于催化剂氧化还原性能的提升. X射线光电子能谱结果表明, Cu-V/TiO2催化剂表面具有更多的活性氧物种(Oα),且具有较强的电子间相互作用,是SCR活性提高的关键原因之一. NH3程序升温脱附和原位红外光谱实验结果表明,金属的引入可以提高酸量和酸强度; Cu-V/TiO2催化剂表面主要为Lewis酸性位,而Fe-V/TiO2催化剂表面主要为Br?nsted酸性位,两者可能导致不同的SCR反应机理,但均可以提高催化剂在高温下的N2选择性.综上所述,过渡金属改性的钒基催化剂中Cu-V/TiO2具有最好的活性和N2选择性以及较强的稳定性和抗H2O/SO2性能,可能得益于其表面更多的活性氧物种和更多更强的酸性位.     

以胶原纤维为模板制备多孔纤维状SO_4~(2-)/TiO_2-ZrO_2固体酸及其酯化催化性能

本文以胶原纤维为模板,制备了多孔纤维状TiO2-ZrO2复合氧化物,并以此为载体制备了多孔纤维状SO42-/TiO2-ZrO2固体酸。SEM观察发现TiO2-ZrO2和SO42-/TiO2-ZrO2均复制了胶原纤维独特的纤维结构,TiO2-ZrO2氧化物的比表面积达到77.51 m2·g-1;XRD分析发现,Ti-Zr摩尔比对TiO2-ZrO2的晶相结构有重要影响,当Ti/Zr摩尔比为0.67∶1时,TiO2-ZrO2以TiZrO4晶相为主;NH3-TPD分析表明SO42-/TiO2-ZrO2的酸量及酸强度与Ti-Zr摩尔比以及活化温度有着密切关系。在乙酸与正丁醇的酯化反应中,多孔纤维状SO42-/TiO2-ZrO2固体酸表现出优良的催化性能。当催化剂用量为6.5wt%,反应时间为60min时,乙酸的转化率高达98.1%;该固体酸催化剂重复使用性优良,循环使用5次时,转化率仍然保持在85%以上。     

Er掺杂对CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂脱硝性能的影响

氮氧化物(NOx)是大气污染的主要因素之一,对其排放的治理成为较为迫切的需求.氨气选择性催化还原法(NH3-SCR)是目前减少NOx排放中应用最为广泛的技术.目前,商业SCR催化剂主要是V2O5(WO3,MO3)/TiO2,但其具有活性温度窗口窄、N2选择性低和对环境影响大等缺点.因此,新型的催化活性高且活性温度窗口宽的环境友好催化剂成为脱硝催化剂的研究热点.CeO2因其独特的氧化还原性能和优异的储释氧能力在催化领域具有广泛应用,在NH3-SCR中也研发出较多类型的铈基催化剂.我们课题组前期研发了具有优异脱硝性能的CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂,为拓展其应用范围,需要进行更深入的研究.理论上,Ti4+,Ce4+以及Zr4+离子的价态均高于Er3+,且离子半径相近.换言之,Er2O3能够与TiO2以及CeO2产生缺陷反应增大催化剂的缺陷浓度,进而提高催化剂的催化活性.本文以溶胶-凝胶法制备了一系列Er掺杂CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂,测试了样品的NH3-SCR催化活性和N2选择性,并且在320℃下连续24 h测试了水蒸气、SO2以及两者混合作用对催化剂活性的影响.使用X射线衍射(XRD)、N2等温吸附-脱附(N2-BET)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)、光致发光光谱(PL)、电子顺磁共振(EPR)以及X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征.XRD结果显示,Er掺杂后催化剂的结晶程度降低,且图谱中没有出现明显的EF2O3衍射峰,即Er在催化剂上有较好的分散度且掺杂抑制了催化剂的晶化.NH3-TPD和H2-TPR结果表明,Er掺杂降低了酸强且提高了储释氧能力,催化剂的氧化还原能力则有所减弱.PL和EPR测试结果显示,掺杂后的催化剂氧空位浓度和Ti3+浓度有所增加,与前期理论设计一致.XPS测试结果表明,掺入Er后催化剂的化学吸附氧含量和Ti3+浓度增加,Ce3+浓度基本不变,推测是CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂中掺入的Er主要与载体TiO2,而不是与活性组分CeO2或助剂ZrO2产生缺陷反应的结果.CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂最高活性为94.28％,其活性温度窗口为230-390℃,掺入Er (Er∶Ce=0.10∶1)后,催化剂的整体活性尤其是350℃以下的催化活性具有明显提升,最高活性达到98.85％,活性温度窗口也拓展为220-395℃.单独的水蒸气对催化活性影响很小,SO2会部分降低催化剂活性,而当两者混合作用时,催化剂活性下降最为显著,且Er掺杂后CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂的抗中毒能力有所增强.Er掺杂CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂显示出较好的抗硫抗水中毒能力以及较高的NH3-SCR催化活性和N2选择性,应该是一种具有应用前景的SCR催化剂.Er掺杂降低了催化剂的酸强,抑制了TiO2和铈锆固溶体的晶化,提高了Ti3+和氧空位浓度并增强了储释氧能力,是CeO2(ZrO2)/TiO2催化剂活性提高的主要原因.     

V2O5 / TiO2-SiO2表面酸性对选择性催化还原NO及抗碱金属性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备出不同配比的V2O5/TiO2-SiO2催化剂,运用低温氮吸附-脱附、XRD、FTIR对催化剂进行表征,对NH3法选择性催化还原氮氧化物(SCR)的行为及抗碱金属性能进行了研究.结果显示复合催化剂比表面积达125～413 m2·g-1,表面酸强和酸量不同程度增加,其中载体中含50%SiO2的催化剂(V5ST)表面酸量最大,在典型SCR反应温度350 ℃下Lewis酸很稳定,Bronsted 酸稍有减少.V5ST相比传统催化剂V2O5/TiO2表现出更佳SCR活性和抗中毒性能,其原因可能是部分钾优先与催化剂表面酸结合,从而降低了对钒活性物种的毒害.不同温度下失活程度的对比表明:低温条件下SCR活性主要依赖于B酸,随反应温度升高,稳定的L酸逐渐开始发挥主导作用,失活程度相应较低.     

Pd/γ-Al2O3三效催化剂中CeO2-ZrO2-La2O3的作用

用浸渍法制备了CeO2-ZrO2-La2O3复合氧化物,用XRD,TG-DTA,拉曼光谱、H2-TPR和BET表面积测定等方法对合成的样品进行了表征,研究了在单钯Pd/γ-Al2O3催化剂中添加CeO2-ZrO2-La2O3对催化剂活性和热稳定性的影响.结果表明,在Pd/γ-Al2O3中加入三元复合氧化物有利于提高三效催化剂的热稳定性,有利于阻止γ-Al2O3在高温时的相变以稳定Al2O3结构,防止在高温条件下催化剂表面积的损失.在Pd的负载量为1 g*L-1条件下,测定了Pd/CeO2-ZrO2-La2O3/γ-Al2O3/蜂窝陶瓷催化剂对CO,C3H6和NO净化的三效活性,研究了催化剂的结构和三效催化活性之间的关系.结果表明,CeO2-ZrO2-La2O3的存在能明显提高Pd基催化剂对CO,C3H6和NO的三效净化活性,扩大催化剂的操作窗口,提高在富氧条件下对NOx的还原性能.