稀燃NO_x储存-还原催化剂

NOx储存-还原(NSR)技术是最有前景的稀燃氮氧化物消除技术,自从日本丰田公司1996年首次提出NOx储存-还原这一概念后,一直受到研究者的广泛关注。本文综述了近十余年来NSR催化剂(PBA型、水滑石型、钙钛矿型)的研究进展,重点概述了目前比较公认的NOx储存-还原的反应路径,以及NSR催化剂的失活机制,包括H2O和CO2的负面影响,热失活和硫中毒问题,最后展望了NOx储存还原技术未来的发展趋势。     

BaFeO_(3-x)与Cu-ZSM-5耦合催化剂的NO_x储存还原性能

为替代传统的贵金属基NOx储存还原(NSR)催化剂,本文设计并制备了不含贵金属的BaFeO3-x+CuZSM-5耦合催化剂,用于催化消除稀燃发动机尾气中的NOx.在稀燃阶段,NO在BaFeO3-x催化剂上发生了氧化和储存反应;在富燃阶段,从BaFeO3-x催化剂中脱附出来未能消除的NOx被置于其后的Cu-ZSM-5催化剂进一步催化消除.实验结果表明,BaFeO3-x+Cu-ZSM-5耦合催化剂的工作温度窗口被拓宽到250-400°C,同时NOx消除性能得到了显著提高:NOx转化率最高可达98%,N2选择性接近100%.     

稀燃NOx储存－还原催化剂*

NO_x 储存-还原（NSR）技术是最有前景的稀燃氮氧化物消除技术,自从日本丰田公司1996年首次提出NOx 储存还原这一概念后,一直受到研究者的广泛关注。本文综述了近十余年来NSR催化剂（PBA型、水滑石型、钙钛矿型）的研究进展,重点概述了目前比较公认的NO_x储存－还原的反应路径,以及NSR催化剂的失活机制,包括H₂O和CO₂的负面影响,热失活和硫中毒问题,最后展望了NO_x 储存还原技术未来的发展趋势。     

柴油机尾气净化催化剂的最新研究进展

柴油机尾气排放的污染物已经引起了严重的环境污染问题,催化净化技术是柴油机尾气污染治理必不可少和最有效的处理技术之一,而高效催化剂的研制和开发是催化净化技术的核心.本文以柴油机尾气中最难处理的两种污染物NOx和碳烟颗粒(PM)的催化处理技术为主线,综述了NOx的催化还原(选择性催化还原(SCR)和贮存还原(NSR))催化剂、碳烟的催化燃烧催化剂、NOx和碳烟颗粒同时消除的催化剂及柴油机尾气四效催化剂的最新研究进展,并总结性地提出了目前该研究方向存在的主要问题和发展方向.     

钾负载量对CuO/K_2CO_3/MgAl_2O_4催化剂高温NO_x储存还原性能的影响

制备了适用于高温氮氧化物储存还原(NSR)反应的Cu O/K_2CO_3/MgAl_2O_4非贵金属催化剂,考察了钾负载量对催化剂NSR性能的影响,发现钾主要以高分散K_2CO_3和体相K_2CO_3的形式存在.在稀燃条件下,NOx在体相K_2CO_3上形成了高温稳定的硝酸盐物种,而高分散K_2CO_3上形成的硝酸盐的高温稳定性则较差.当钾负载量较低时,催化剂的NOx储存能力有限,K_2CO_3主要以高分散形式存在,稀燃阶段形成的硝酸盐的热稳定性较低,高温NSR活性较低;而钾负载量过高时,K_2CO_3则会覆盖Cu O活性位,从而降低催化剂的NSR活性.在450℃的高温条件下,钾负载量为10%时,所制备催化剂的NOx储存还原能力最佳,NOx还原效率达到99.9%,是一种具有潜在应用前景的高温NSR催化剂.     

BaFeO3-x与Cu-ZSM-5耦合催化剂的NOx储存还原性能

为替代传统的贵金属基NO_x储存还原（NSR）催化剂,本文设计并制备了不含贵金属的BaFeO_3-x+Cu-ZSM-5 耦合催化剂,用于催化消除稀燃发动机尾气中的NO_x. 在稀燃阶段,NO在BaFeO_3-x催化剂上发生了氧化和储存反应;在富燃阶段,从BaFeO_3-x催化剂中脱附出来未能消除的NO_x被置于其后的Cu-ZSM-5催化剂进一步催化消除. 实验结果表明,BaFeO_3-x+Cu-ZSM-5 耦合催化剂的工作温度窗口被拓宽到250-400 ℃,同时NO_x消除性能得到了显著提高：NO_x转化率最高可达98%,N₂选择性接近100%.     

贫燃/富燃循环气氛下原位活化Pd负载钙钛矿催化剂促进NOx还原消除

稀燃发动机通过提高空燃比来改善燃油经济性,减少CO2排放.但由于空燃比较高,稀燃发动机尾气中的NO_x无法通过传统的三效催化技术有效消除.为了解决这一问题,适用于稀燃条件的NO_x储存还原(NSR)技术得到了开发和应用.传统的NSR催化剂以贵金属Pt作为其氧化还原活性中心.Pt基催化剂具有较高的NO_x消除活性,然而热稳定性差,高温下易团聚失活.据报道,Pd具有比Pt更好的热稳定性和抗硫性,且能够在更低的温度下活化还原剂,促进NO_x还原.但De-NO_x反应中的活性Pd物种至今仍无定论,这对设计高效的Pd基NSR催化剂提出了挑战.本文设计制备了具有高活性的Pd负载型钙钛矿催化剂(Pd-La_0.7Sr_0.3MnO₃).其中钙钛矿组分的加入提高了Pd基催化剂的NO氧化能力和热稳定性,并提供了可用于NO_x储存的碱性位点.通过调节金属-载体相互作用,使Pd催化剂在NSR反应气氛下发生了自活化现象,活化后催化剂的NO_x消除活性由56.1%提高到90.1%,同时副产物N2O的选择性降低.XRD、XAFS和XPS等表征结果显示,在反应气氛下催化剂中的Pd²⁺被部分还原为高活性的Pd0物种.相较于Pd²⁺,Pd0表现出更强的活化C3H6的性能,从而提高了催化剂在富燃阶段的NO_x还原效率.结合XPS、CO化学吸附和动力学的实验结果,计算得出Pd0位点的NO_x还原速率是Pd²⁺位点的8倍,从实验现象和动力学计算两个角度分别证明Pd0物种具有更优异的NO_x还原活性.然而,Pd0物种的生成需要适当强度的金属-载体相互作用.通过与传统的Pd/BaO/Al₂O₃催化剂进行对比研究,发现金属-载体相互作用过强时,在富燃阶段Pd2+物种难以被还原,且还原得到的Pd0物种并不稳定,会在随后的贫燃阶段被快速重新氧化为Pd²⁺.强相互作用虽然可以降低Pd物种粒径,提高Pd的分散度,但由于无法产生高活性的Pd0物种,催化剂的NO_x消除性能显著降低.此外,相较于传统的Pd/BaO/Al₂O₃和Pt/BaO/Al₂O₃催化剂,Pd负载型钙钛矿催化剂具有更为优异的NO氧化能力,且储存位碱性适中,因而表现出更强的抗H₂O、CO₂和SO₂的性能,具有良好的应用前景.本文的结果说明了金属-载体相互作用对催化剂活性的显著影响,同时也为理解和设计应用于动态氧化/还原气氛的金属催化剂提供了新的思路.     

H2O、CO2组分对NOx存储-还原性能的影响

NOx存储-还原技术是控制汽车稀燃NOx排放的重要手段之一,在汽车尾气中H2O、CO2组分含量均相对较高,有必要弄清这些组分对NOx存储-还原特性的影响。论文以MnOx改性Pt/Ba/Al2O3催化剂为研究对象,评价在不同气氛下的NOx存储能力和催化还原性能。结果表明：CO2、H2O组分均抑制催化剂的NOx存储性能,H2O的抑制作用主要表现在低温区,CO2抑制NOx存储的现象在高温区更为显著。CO2对NOx存储速率的抑制作用较H2O更为明显,且其NOx存储速率随着温度的升高表现的差异性更为明显。对于NOx催化还原过程,CO2、H2O或CO2 H2O添加均导致N2选择性降低,其N2选择性按CO2 > H2O > CO2 H2O的顺序降低。     

H3PW12O40/CNTs吸附-分解NOx及微波作用效果

将碳纳米管(CNTs)载体分别经混酸与硝酸蒸气预处理并在不同温度下煅烧, 然后分别采用浸渍法及机械研磨法负载磷钨酸(HPW), 制备出HPW/CNTs催化剂, 对比考察了上述催化剂对NOx的吸附与分解效果. 在空速为10000 h-1、 吸附温度为200℃的条件下, 用0.5 g催化剂对1696 mg/m3的NOx进行吸附实验, 结果表明, 以硝酸蒸气预处理且经300℃煅烧后的CNTs为载体, 采用机械研磨负载法制备的催化剂HPW/CNTs对NOx的吸附率与吸附能力最高, 分别为54%与16.6 mg NOx/(g\5h). 对吸附NOx后的催化剂体系进行了催化分解NOx的程序升温脱附-质谱(TPD-MS)研究, 结果表明, 所吸附的NOx在快速升温过程中发生分解, 在此过程中有氧产生, 分解产物包括N2, O2及N2O. 采用电阻炉快速加热与微波辐射2种方式分别对吸附的NOx进行催化分解, 结果表明, 微波功率为700 W时, NOx分解为N2的收率为33.3%, 高于电阻炉以150℃/min快速升温的N2收率. 使用过的催化剂通水蒸气后可实现再生, 对再生后的催化剂进行循环使用研究, 结果表明, 再生后的催化剂吸附与催化分解NOx的性能未有明显下降.     

BaCo1-xFexO3-δ缺陷钙钛矿NOx储存还原催化剂的制备、结构与性能

制备了B位Fe取代的BaCo1-xFexO3-δ系列缺陷钙钛矿型NOx储存还原(NSR)催化剂,考察了其储存NOx与抗硫性能;应用N2吸附-脱附,X射线衍射,红外光谱,程序升温还原和程序升温脱附等技术对催化剂进行了表征.结果表明,Fe的取代提高了BaCoO3的抗硫能力,当x=0.4时,样品具有相对最大的NOx储存量,且...     

还原剂对La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3钙钛矿催化剂NOx储存性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3钙钛矿催化剂,考察了还原剂种类(CO,C3H6,H2)对催化剂在氮氧化物储存还原(NSR)循环前后的氮氧化物储存量(NSC)和NO-to-NO2转化率的影响.O2程序升温脱附(O2-TPD)实验结果表明,CO还原后的钙钛矿催化剂上形成了较多的氧空位,而氧空位则是一种有效的NOx储存活性中心.活性测试和傅里叶红外变换(FTIR)光谱表征结果显示:在NSR循环中,以CO为还原剂时催化剂显示了最佳的氮氧化物(NOx)储存效果.进一步的研究结果显示,当采用CO作为还原剂时,经过三次NSR循环后,催化剂中出现了Sr3Fe2O7新物相,而该物相可能具有比La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3钙钛矿更佳的NOx储存性能.综上所述,CO作为还原剂时可能使钙钛矿催化剂产生更多的氧空位以及更易于储存NOx的Sr3Fe2O7物相,这些原因使其NOx储存性能得到了大幅度改善.     

低于300℃时两种氧化铈材料对稀燃阶段NOx存储性能的影响

研究了低于300 ℃时两种氧化铈对稀燃阶段NO_x存储性能的影响,催化剂由2%（w）Pt/Al₂O₃（PA）与CeO₂-X（X=S,I）机械混合制备. X射线衍射（XRD）,BET表面积和扫描电子显微镜（SEM）用于表征材料的物理结构. X射线光电子能谱（XPS）和H₂程序升温还原（H₂-TPR）用于表面Ce³⁺和活性氧定量. 原位漫反射傅里叶变换红外光谱（in-situ DRIFTS）用于分析表面NO_x吸附物种. 相比于CeO₂-I,CeO₂-S 具有优良的物理化学性能,包括高比表面积、丰富的空隙结构、较高的抗老化能力及表面Ce³⁺浓度. 因而,Pt/Al₂O₃+CeO₂-S 表现出优异的NO_x存储能力. 此外,PA+CeO₂-X（X=S,I）上存在Pt 与CeO₂之间的相互作用,可提高表面氧物种的活性进而促进NO氧化及NO_x存储. PA+CeO₂-S上的这种相互作用要强于PA+CeO₂-I. 研究表明,表面Ce³⁺浓度和活性氧含量对NO_x存储起到重要作用. 然而经过水热处理后,Pt 与老化的氧化铈（ACS,ACI）之间的相互作用降低,并且两种氧化铈NO_x存储性能显著下降. 另外,与PA+ACS（ACI）相比,PA+PACS（PACI）样品NO_x存储能力得到改善,这归因于表面氧物种活性增加能促进硝酸盐的形成.     

制备方法对Mn-Ce/ZSM-5催化剂低温选择性催化还原NO性能的影响

采用浸渍法、氨水共沉淀法和机械混合法制备了Mn-Ce/ZSM-5催化剂, 并研究了其对氨选择性催化还原(NH\-3-SCR)NO反应的催化性能. 结果表明, 采用氨水共沉淀法制备的Mn-Ce/ZSM-5催化剂显示出优越的NH3-SCR催化活性, 不仅具有好的低温催化活性和宽的反应温度窗口, 而且具有高的热稳定性. 铈的含量对催化活性也存在着明显的影响. 采用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)和等离子体发射光谱(ICP)等技术对不同方法制备的Mn-Ce/ZSM-5催化剂的体相和表面结构进行了表征. 结果发现, Mn-Ce/ZSM-5催化剂中Ce主要以Ce4+的形态出现, 并与锰有较强的协同作用. Mn以多种氧化物的形态共存, 采用氨水共沉淀法制备更有利于低价态的锰氧化物Mn2O3, Mn3O4等的形成, 并且更易于氧物种(O1s)在催化剂表面富集, 这可能是导致氨水共沉淀法所制备的Mn-Ce/ZSM-5样品活性最佳的原因.     

Overview on the selective lean NO x reduction by hydrocarbons over Pt-based catalysts

Selective catalytic reduction of NO _x with hydrocarbons (HC-SCR) has received much attention as one of potential technologies for reducing NO _x emissions under lean-burn conditions. Pt/ZSM-5 prepared by sublimation method and Pt/V/MCM-41 catalysts have been introduced for the wider activity temperature window than those Pt catalysts reported previously. The influence of pre-treatment, oxygen concentration, water and SO₂ on the activities of Pt-based catalysts has been discussed. Combinatorial catalysis, which has been developed recently for discovering the practical HC-SCR catalysts quickly, has been introduced too. Finally, the reaction mechanism of HC-SCR over Pt-based catalysts has been briefly discussed.     

Rhodium–Aluminum-Mixed Oxide Catalysts for Selective Reduction of NO x by Hydrocarbons

Rhodium—alumina-mixed oxides have been investigated as catalysts for selective catalytic reduction of NO _x by propene, as a part of the R&D Project of Next Generation Catalysts Research Institute. The results indicated that the NO _x reduction activity increases with a decrease in the reducibility of rhodium, suppressing wasteful consumption of propene by the reaction with oxygen. Coprecipitation method for the preparation of Rh-alumina catalysts was effective for the formation of the less-reducible rhodium sites, and the addition of zirconium and gallium further enhanced the formation of those sites and increased the selectivity of NO _x reduction.     

Ceramic honeycombs coated with zeolite Co-ZSM-5 for Nox abatement

A deNO_x catalyst was prepared by wash-coating a cobalt ion exchanged ZSM-5 zeolite together with an alumina binder on a cordierite honeycomb structure. A few types of the Co-ZSM-5 based catalysts were tested for NO_x reduction with C₂H₄ under oxidizing conditions in the temperature range between 250–600°C. Preliminary tests of the catalytic activity of the systems showed NO_x reduction up to 95% at temperatures between 400–550°C using a mixture of a synthetic gas and air as reactant.     

Reactivity of NO with NH3 in the Presence of O2 over Ce-ZSM5 with and without Moisture

Cerium based ZSM5 catalysts are used to study NO reduction with NH₃ in the presence of oxygen with and without moisture. The Ce-ZSM5 was prepared by wet impregnation method and characterized by X-ray diffraction technique, BET surface and SEM. Ce-ZSM5 showed better NO_x reduction than H-ZSM5 which is a poor catalyst for NO_x reduction with NH₃. The metal incorporation in H-ZSM5 has increased the catalytic activity. The catalytic activity showed significant difference in NO_x conversion with and without moisture. The disperse Ce species are the active centers for the reduction of NO with NH₃ in the presence of oxygen. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

碱土元素掺杂的BaFeO3钙钛矿型催化剂的NOx储存性能

采用溶胶-凝胶法制备了Ba_1-xM_xFeO₃ (M=Mg, Ca, Sr; x=0, 0.1, 0.2)系列钙钛矿型NO_x储存还原(NSR)催化剂, 考察碱金属元素Mg、Ca 和Sr 的掺杂对BaFeO₃ 钙钛矿NO_x 储存和氧化性能的影响. 结果表明, 在250-400 ℃范围内Mg的掺杂提高了BaFeO₃钙钛矿的NO_x储存性能, 其中以Ba_0.8Mg_0.2FeO₃样品的NO_x储存性能最佳, 在温度350 ℃时NO_x储存量高达1200 μmol·g^-1以上, NO→NO₂转化率为53.4%. 与BaFeO₃比较,Ba_0.8Mg_0.2FeO₃样品在250 ℃进行NO_x储存时就出现了单齿硝酸盐, 并随储存温度的变化而变化, 它的数量与NO_x储存量有相同的变化趋势. 傅里叶变换红外(FTIR)光谱结果表明, 与BaFeO₃相比, Ba_0.8Mg_0.2FeO₃样品NO_x储存量增大的原因在于: 一方面, 形成了具有A位缺陷的钙钛矿结构, 产生大量能够用于储存NO_x的氧空位; 另一方面, 未进入钙钛矿晶格的Mg元素可能以碱性氧化物的形式与NO_x作用形成了单齿硝酸盐.     

NO2对Cu/SAPO-34分子筛催化剂上NH3选择性催化还原NO性能的影响

主要考察了NO₂对Cu/SAPO-34 分子筛催化剂在整个温度范围内（100-500 ℃）NH₃选择性催化还原（SCR）NO性能的影响. 研究所使用样品为新鲜Cu/SAPO-34 催化剂在750 ℃下水热处理4 h 的稳定期样品.通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对样品的结构以及形貌进行表征,采用SCR活性评价、动力学实验以及原位漫反射傅里叶变换红外光谱（in situ-DRIFTS）表征催化剂的性能以及催化剂表面物种的变化. 活性评价实验结果表明,NO₂会抑制催化剂的低温（100-280 ℃）活性,但其存在会提高催化剂的高温（280 ℃以上）活性. 与此同时,随着反应物中NO/NO₂的摩尔比例减少,由于NH₄NO₃物种的分解,副产物（N₂2O）的浓度增大. 动力学结果表明,Cu/SAPO-34 催化剂上快速SCR反应的表观活化能（E_a=64.02 kJ·mol^-1）比标准SCR反应的表观活化能（E_a=48.00 kJ·mol^-1）更大. In situ-DRIFTS实验结果表明NO比NO₂更容易在催化剂表面形成硝酸盐,并且NO₂更容易与吸附在Brønsted 酸性位上的NH₃物种反应生成NH₄NO₃. 低温下,催化剂表面的NH₄NO₃物种会覆盖SCR反应的活性位,造成活性降低,但在高温时,形成的NH₄NO₃物种一部分会被NO还原为N2,而另一部分会直接热分解为N₂O,造成催化剂的选择性降低.