NH3-SCR反应中Fe-ZSM-5的Fe物种分布和酸性位对其水热稳定性及抗硫和抗碳氢性能的影响

以Na+型和H+型ZSM-5为载体制备了Fe-ZSM-5催化剂并用于氨选择性催化还原(NH3-SCR)氮氧化物. Fe-H-ZSM-5在新鲜时和750 oC含10%水的空气中老化后,其SCR活性均优于Fe-Na-ZSM-5.表征结果显示, Fe-H-ZSM-5和Fe-Na-ZSM-5的Fe物种分布和酸性位有所不同.高温水热老化后Fe-H-ZSM-5分子筛骨架的脱铝较Fe-Na-ZSM-5严重.水和硫的存在对Fe-H-ZSM-5和Fe-Na-ZSM-5的SCR活性的影响相似,即降低了低温活性,略提高了高温活性. Fe-Na-ZSM-5表现出比Fe-H-ZSM-5更好的抗碳氢中毒性能.这两种催化剂的SO2和碳氢中毒是可逆的.     

不同阳离子(NH4+,Na+,K+,Ca2+)溴化物对商用SCR催化剂化学中毒影响机制研究

燃煤飞灰中的碱金属和碱土金属对 NH3-SCR 催化剂的活性有显著的影响. 近年来, 研究者针对碱金属/碱土金属氧化物对 SCR 催化剂中毒作用开展了大量研究. 另一方面, 研究普遍认为, 含溴化合物对提高 SCR 催化剂汞氧化性能具有明显促进作用. 目前为止, 针对碱金属/碱土金属溴化物对 SCR 催化剂影响的系统研究较少. 我们课题组系统研究了不同阳离子的溴化物 (NH4Br, NaBr, KBr 和 CaBr2) 对商用 V2O5-WO3/TiO2催化剂性能的影响.与未中毒样品相比, KBr 中毒后的催化剂 (记为 L-KBr) 上 NOx转化率明显下降, 而 NaBr 和 CaBr2中毒的催化剂 (分别记为 L-NaBr 和 L-CaBr) 上的 SCR 活性也有一定程度的降低. 另外 L-NaBr, L-KBr 和 L-CaBr 催化剂的 N2选择性较差. XPS 结果显示, KBr 中毒后化学吸附氧 (Oα) 比例减小; 同时, KBr 中毒后还原性和表面酸度降低, 这些可能是导致 L-KBr催化剂的活性和 N2选择性变差的主要原因. 对于 L-CaBr 催化剂, 中毒后化学吸附氧 Oα比例有所增加, 这与 H2-TPR 结果显示可还原性增强一致. O2-TPO 结果显示, L-CaBr 催化剂可氧化性降低, 说明 CaBr2中毒还是影响到催化剂表面的氧化还原循环. 催化剂 CaBr2中毒后表面被覆盖减少了反应活性位数量, 但表面酸性的增强可能会抵消活性位点损失带来的负面影响. NH3氧化结果显示, NH3在 L-CaBr 催化剂表面发生过氧化反应, 特别是高温下生成较多 N2O, 降低 N2选择性, 这可能是高温下 L-CaBr 催化剂 SCR 活性和 N2选择性下降的重要原因. CO2-TPD 结果表明, L-KBr 和 L-CaBr 催化剂表面碱性强度增加, 可能有助于增加 NOx物种的吸附量. 基于以上活性评价和表征分析结果, 我们尝试建立了不同溴化物中毒的催化剂表面酸碱性、氧化还原和催化性能之间的关系.     

Si改性对V_2O_5/WO_3-TiO_2催化剂NH_3-SCR活性和热稳定性的影响（英文）

V_2O_5/WO_3-TiO_2是NH_3-SCR领域应用最为广泛的商用脱硝催化剂,该催化剂具有良好的抗硫中毒性能;但其水热稳定性却相对较差,高温条件下运行会严重失活.这主要是由于锐钛型TiO_2在高温下发生团聚或相变,生成比表面积较小的晶红石型TiO_2,进而导致活性组分V_2O_5和WO_3团聚或挥发.结局问题的关键是提高载体TiO_2的水热稳定性,而添加Al,Zr和Si等元素对TiO_2进行改性则被认为是最有效的方法之一.Si改性的V_2O_5/WO_3-TiO_2催化剂水热老化后仍然具有较高的比表面积、较多的酸性位和稳定晶体结构,但其作用机理仍不明确.本文分别考察了750oC水热老化处理24h对V_2O_5/WO_3-TiO_2和V_2O_5/WO_3-TiO_2-SiO_2催化剂结构和催化活性的影响,并采用X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、拉曼光谱(Raman)和氨气程序升温脱附(NH_3-TPD)等手段研究了Si改善V_2O_5/WO_3-TiO_2催化剂水热稳定性的原因.结果表明,水热老化后,Si改善的催化剂和载体的比表面积降幅较小.XRD结果表明,Si添加到TiO_2中可形成Ti-O-Si固溶体,固溶体的形成使TiO_2晶界能提高,可防止水热老化过程中TiO_2的团聚和相变,进而提高其水热稳定性.负载V后,Si对载体的稳定作用则更加明显.这主要是因为低熔点的V_2O_5会加剧载体的团聚和相变.结合H_2-TPR和Raman结果可知,V_2O_5/WO_3-TiO_2催化剂水热老化后发生TiO_2团聚或相变,进而导致活性组分多聚态V_2O_5团聚生成V_2O_5晶粒或Ti-V-O固溶体,而后者对SCR反应活性的贡献非常低;同时,水热老化还使得助剂WO_3从WO_3-TiO_2中脱离出来,因而导致催化剂活性和选择性下降.然而由于V_2O_5/WO_3-TiO_2-SiO_2催化剂载体具有良好水热稳定性,经水热处理后仍保持着锐钛晶型和较小的晶粒,抑制了活性组分V_2O_5的严重团聚或形成固溶体;同时还使得高分散态V_2O_5轻微团聚形成主要活性组分多聚态V_2O_5,因此催化活性反而提高.另外,由于V_2O_5/WO_3-TiO_2-SiO_2催化剂中形成了Ti-O-Si固溶体,进而产生更多的酸性位,水热处理后,其酸性位降低幅度较小;而V_2O_5/WO_3-TiO_2催化剂酸性位数量明显减少,这与其载体和活性组分的烧结和相变相关,这也是导致其失活的主要原因之一.     

不同阳离子(NH_4~+,Na~+,K~+,Ca~(2+))溴化物对商用SCR催化剂化学中毒影响机制研究（英文）

燃煤飞灰中的碱金属和碱土金属对NH_3-SCR催化剂的活性有显著的影响.近年来,研究者针对碱金属/碱土金属氧化物对SCR催化剂中毒作用开展了大量研究.另一方面,研究普遍认为,含溴化合物对提高SCR催化剂汞氧化性能具有明显促进作用.目前为止,针对碱金属/碱土金属溴化物对SCR催化剂影响的系统研究较少.我们课题组系统研究了不同阳离子的溴化物(NH_4Br,NaBr,KBr和CaBr_2)对商用V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂性能的影响.与未中毒样品相比,KBr中毒后的催化剂(记为L-KBr)上NO_x转化率明显下降,而NaBr和CaBr_2中毒的催化剂(分别记为L-NaBr和L-CaBr)上的SCR活性也有一定程度的降低.另外L-NaBr,L-KBr和L-CaBr催化剂的N_2选择性较差.XPS结果显示,KBr中毒后化学吸附氧(O_α)比例减小;同时,KBr中毒后还原性和表面酸度降低,这些可能是导致L-KBr催化剂的活性和N_2选择性变差的主要原因.对于L-CaBr催化剂,中毒后化学吸附氧O_α比例有所增加,这与H2-TPR结果显示可还原性增强一致.O_2-TPO结果显示,L-CaBr催化剂可氧化性降低,说明CaB_r2中毒还是影响到催化剂表面的氧化还原循环.催化剂CaBr_2中毒后表面被覆盖减少了反应活性位数量,但表面酸性的增强可能会抵消活性位点损失带来的负面影响.NH_3氧化结果显示,NH_3在L-CaBr催化剂表面发生过氧化反应,特别是高温下生成较多N_2O,降低N_2选择性,这可能是高温下L-CaBr催化剂SCR活性和N_2选择性下降的重要原因.CO_2-TPD结果表明,L-KBr和L-CaBr催化剂表面碱性强度增加,可能有助于增加NO_x物种的吸附量.基于以上活性评价和表征分析结果,我们尝试建立了不同溴化物中毒的催化剂表面酸碱性、氧化还原和催化性能之间的关系.     

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.     

水热老化对不同方法制备的Fe-ZSM-5用于NH_3选择性催化还原NO_x的影响

采用液体离子交换、等体积浸渍和固相离子交换制备了一系列Fe-ZSM-5催化剂,并将其用于NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)反应.运用X射线衍射、紫外-可见漫反射吸收光谱和原位漫反射傅里叶变换红外光谱对催化剂进行了表征.结果表明,Fe-ZSM-5催化剂表面Fe物种可分为孤立Fe3+物种、低聚Fe氧化物团簇和Fe2O3,各催化剂上NH3-SCR反应活性不同的根本原因是其表面Fe物种分布不同.水热老化后,Fe-ZSM-5催化剂上400oC以下反应时NOx转化率降低,而高温活性略有提高,各催化剂活性差异减小;同时NH3氧化活性和NO氧化活性均明显降低.这可归因于水热老化使Fe-ZSM-5催化剂表面的孤立Fe3+物种相对浓度降低,低聚Fe氧化物团簇和Fe2O3相对浓度增加,以及催化剂表面Br?nsted酸性位显著减少所致.     

硫酸化对CeO_2-ZrO_2催化剂上NH_3选择催化还原NO反应的影响（英文）

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.NH_3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V_2O_5-WO_3/TiO_2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N2_O和SO_3.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.CeO_2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.CeO_2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.CeO_2-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SO_2和碱金属中毒能力.CeO_2-ZrO_2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SO_2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CeO_2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SO_4~(2–).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CeO_2-ZrO_2(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.CeO_2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NH_3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NH_3分子较强的键合作用导致NH_3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NH_3被O_2直接氧化,导致N_2选择性降低.     

分子筛负载Cu–Mn双金属柴油机尾气脱硝催化剂的稳定性（英文）

近年来柴油车尾气排放了大量的氮氧化物(NO_x),其治理技术目前主要基于选择性催化还原(SCR).但是,由于柴油车尾气的温度波动范围较宽,氧气浓度高,汽油车三效催化剂不能用于柴油车尾气脱硝,因此开发一种有效的SCR催化剂去除柴油机尾气中的NO_x至关重要.Cu/分子筛催化剂在尾气温度高于200°C时表现出高的脱硝活性,但低温(200°C)催化活性仍有待提高.此外,当柴油颗粒过滤器再生时催化剂处于高温高湿环境,而且柴油车尾气中有未完全燃烧的碳氢化合物(HCs)存在.因此,水热稳定性和抗HCs失活性也是催化剂性能的一个重要指标.Cu–Mn共负载可以有效提高催化剂在200°C以下对NO_x的脱除性能,但其稳定性尚未讨论.本文采用离子交换法将Cu–Mn双金属体系负载在ZSM-5和SAPO-34上,考察了Cu–Mn双金属催化剂去除柴油车尾气NO_x的效果,以及催化剂的温度敏感性、水热稳定性和抗HCs性能.通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、N_2吸脱附、~(27)Al固体核磁共振(~(27)Al NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段分析了催化剂活性和稳定性差异的原因,探讨了影响稳定性的关键因素.研究发现,当Cu/Mn比为3:2时,200°C时Cu–Mn/ZSM-5和Cu–Mn/SAPO-34的NO_x转化率分别达到65%和90%.当催化剂水热老化处理后,或在反应气体中通入C_3H_6后,Cu–Mn/SAPO-34对NO_x的去除率比Cu–Mn/ZSM-5稳定.SEM和物理结构分析结果表明,水热老化处理和含C_3H_6气氛的SCR反应后,Cu–Mn/ZSM-5发生了明显的团聚,且BET比表面积和孔容减小;而Cu–Mn/SAPO-34未发生团聚现象,且保持较好的物理结构.因此,Cu–Mn/ZSM-5的团聚以及物理结构的破坏可能是其稳定性低的原因之一.XRD结果表明,水热老化处理后Cu–Mn/ZSM-5晶体结构无明显变化,Cu–Mn/SAPO-34的结晶度有所提高.含C_3H_6气氛的SCR反应后,两种催化剂仍然保持分子筛结构的特征峰,表现出较好的晶型结构,C_3H_6不会对催化剂的结晶度和晶体结构产生破坏作用.结合SEM图像发现水热老化处理提高了Cu–Mn/SAPO-34的结晶度并提高其低温活性.27Al NMR结果表明,两种催化剂在水热老化处理和含C_3H_6气氛的SCR反应后,四面体配位Al的峰面积几乎没有明显的改变,表明反应后催化剂并未发生明显的脱铝现象,仍然保持较好的结构稳定性.这与之前研究中Cu/ZSM-5反应后四面体配位的Al原子明显减少的结果不同.因此,Mn的加入可以缓解催化剂的脱铝,提高稳定性.XPS结果表明,水热老化处理和含C_3H_6气氛的SCR反应均使得Cu–Mn/ZSM-5上八面体配位的Cu~(2+)明显降低,Cu~+和八面体配位的Cu~(2+)之间的氧化还原循环受到明显抑制.而在Cu–Mn/SAPO-34表面,Cu原子浓度高度稳定,SCR反应中Cu~+和Cu~(2+)保持良好的氧化还原循环.因此,稳定的物理结构和Cu物种是催化剂稳定性的两个重要因素.     

中温商业SCR催化剂碱和碱土中毒特性研究

在实验室条件下对选择性催化还原(SCR)商业催化剂的碱(K)和碱土(Ca)中毒进行了模拟,并采用液氮吸附、扫描电镜、能谱分析、NH_3-程序升温脱附、H_2-程序升温还原等方法对催化剂中毒前后的物理化学性质变化进行了表征。结果表明,K和Ca的中毒没有破坏商业中温SCR催化剂孔的基本结构,但K和Ca的中毒使催化剂的比表面积和孔容减小。K和Ca的中毒在一定程度上改变了催化剂表面钒的价态,导致了钒的还原能力减弱,同时降低催化剂表面化学吸附氧。钾中毒和钙中毒使催化剂的表面酸量降低。钾和钙中毒造成中温SCR催化剂的脱硝活性降低,并且Ca中毒造成的催化剂活性降低要明显高于K中毒。     

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.     

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.     

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.     

CuSO_4/TiO_2催化剂在氨选择性催化还原氮氧化物反应中的性能(英文)

氮氧化物(NO_x)是主要的大气污染物之一.氨气选择性催化还原法(NH_3-SCR)是目前去除固定源排放的氮氧化物的最有效方法,被广泛用于燃煤或者生物质的火电厂中.催化剂是NH_3-SCR法的核心,其中V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂是主要的商业SCR催化剂;但是V_2O_5有毒,对环境的影响很大;另外,该催化剂具有较高的SO_2氧化性能.因而研究者一直在探索新型的SCR催化剂.SO_2是燃煤电厂烟气中的典型气体之一,所以抗硫性能是催化剂的一个重要指标.在SCR反应条件下,SO_2和O_2容易与氧化物催化剂发生反应生成稳定性较高的硫酸盐,覆盖在催化剂表面从而引起催化剂失活.但已有研究发现,硫化会提高K中毒后的V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂的活性.并且,短时间的硫化可以明显提高CuO/Al_2O_3的NH_3-SCR活性.硫酸盐催化剂或许具有较低毒性和较高抗硫性能,应该是一种有前景的SCR催化剂.本文以商业纳米TiO_2为载体,采用湿式浸渍法制备了一系列的CuSO_4/TiO_2催化剂.在自制的活性评价装置上测试了样品的NH_3-SCR活性并且在340℃下连续24 h测试了SO_2、水蒸气及两者共同作用对催化剂活性的影响.使用N_2等温吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、H_2程序升温还原(H2-TPR)和NH_3程序升温脱附(NH_3-TPD)对催化剂进行了表征.另外,采用原位红外漫反射光谱研究了CuSO_4/TiO_2催化剂上的NH_3-SCR反应过程.N_2等温吸附-脱附结果表明,负载的CuSO_4没有明显改变载体的孔结构.而XRD结果仅显示锐钛矿TiO_2的衍射峰,说明CuSO_4在载体上有较好的分散度或者CuSO_4的含量低于检测限.XPS结果显示,催化剂中的铜主要以Cu~(2+)形式存在,硫主要以SO_4~(2-)形式存在,而氧主要以晶格氧和吸附氧两种形式存在,并且CuSO_4的存在会增加催化剂中吸附氧的含量.H_2-TPR结果表明,随着CuSO_4含量的增加,催化剂的氧化还原能力逐渐增强.NH_3-TPD结果表明,催化剂表面的酸性位数目随着样品中CuSO_4含量的增加而增加.纯TiO_2的NH_3-SCR活性很差,当温度从300℃增加到450℃时,最高NO_x转化率仅为32.7%.但当CuSO_4负载到TiO_2上以后,催化剂活性明显提高.在反应温度高于340℃时,CuSO_4/TiO_2催化剂的NO_x转化率在94%以上,与商业V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂相当,并且其N_2O生成量低于商业催化剂.不过,当温度低于340℃时,CuSO_4/TiO_2催化剂的NO_x转化率明显低于商业催化剂,说明CuSO_4/TiO_2催化剂的活性仍有待改善.连续24 h测试了SO_2、水蒸汽及两者的共同作用对CuSO_4/TiO_2催化剂活性的影响.结果显示,单独的水蒸气会导致活性轻微下降,但SO_2以及两者共同存在时对催化剂的活性基本没有影响.CuSO_4/TiO_2催化剂的NH_3吸附红外光谱表明,催化剂上存在Lewis和Bronsted两种酸性位,但Bronsted酸性位上的NH_4~+稳定性较差,280℃时即基本消失.在高温时,NH_3主要吸附在Lewis酸性位上且CuSO_4/TiO_2催化剂对NO_x的吸附能力较差,红外光谱未检测到NO_x的吸附峰.380℃下,当NO和O_2通入预吸附NH_3的催化剂样品时,属于Lewis酸性位上NH_3的红外峰明显下降,说明Lewis酸性位上吸附的NH_3参与了反应.CuSO_4/TiO_2显示出高的抗硫抗水性能和比较好的NH_3-SCR活性,应该是一种有应用前景的SCR催化剂.CuSO_4可以增加催化剂的酸性位数目和吸附氧量.根据原位红外漫反射结果,CuSO_4/TiO_2上的SCR反应遵循Eley-Rideal机理.气相的NO与吸附在Lewis酸性位上的NH_3反应生成N_2和H_2O或许是主要的反应途径,并且吸附氧可能会促进这个过程.     

SO42-/Zr-ZSM-5 超强酸催化剂的制备和表征

以硅溶胶和氧氯化锆为硅源和锆源，采用水热合成的方法制得具有ZSM-5结构的Zr-Si分子筛；用0.5mol/L的硫酸处理该分子筛，并在550℃焙烧，制得具有ZSM-5结构的SO4^2-/ZrO2-SiO2分子筛型的固体超强酸。采用XRD、SEM、TG、IR、NH3-PHD和指示剂法对其结构和酸性进行表征。结果表明，该SO4^2-/ZrO2-SiO2具有ZSM-5结构和超强酸性，其酸强度大于-13.75，且具有良好的热稳定性。     

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.     

分散法制备的CuCl/ZSM-5分子筛催化剂上C3H6选择性催化还原NO反应的研究

研究了由分散法制备的CuCl/ZSM-5分子筛催化剂上丙烯在过量氧存在下选择催化还原NO反应,发现该法能使活性组份高度分散于载体上,且所制备的高负载量CuCl/H-ZSM-5与离子交换法制备的Cu-ZSM-5相比在较低反应温度下具有更高的反应活性.     

Cu-ZSM-5的NH3选择性催化还原NO性能及其稳态动力学

采用浸渍法制备了一系列不同Cu载量的Cu-ZSM-5整体式催化剂.考察了该系列催化剂的NH3选择性催化还原(SCR)NO的反应特性.结果表明,当Cu质量分数为5%时,Cu-ZSM-5催化剂的SCR活性最高,此时催化剂上NO最高转化率高达96.5%,并且催化剂的活性窗口较宽,催化剂在198-470℃之间NO转化率大于80%.H2O和SO2的添加仅轻微影响Cu-ZSM-5催化剂的SCR活性.当Cu载量大于5%时,Cu-ZSM-5催化剂中出现明显的CuO物相.稳态动力学结果表明,在5%Cu载量的Cu-ZSM-5上的SCR反应中,NO的反应级数接近一级,NH3的反应级数接近零级,O2的反应级数接近1/2级.该反应的表观活化能为47.7kJ·mol-1.     

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.     

Effect of Hydrohalogenation of Metal/Zeolite Catalysts for Cyclohexene Hydroconversion ‐Part 3‐ Pd/H‐ZSM‐5 Catalysts

Cyclohexene (CHE) hydroconversion was performed in a flow reactor at atmospheric pressure and temperatures of 50–400 °C using: Pd/H‐ZSM‐5, Pd/H‐ZSM‐5(HCl), and Pd/H‐ZSM‐5(HF) catalysts. These catalysts were characterized for acid site strength distribution via NH₃ TPD, Pd dispersion via H₂ chemisorption, TPR via reduction of the metal oxide in the catalysts and XRD for tracing crystallinity The hydroconversion steps proceeded as follows: CHE → Cyclohexane (CHA); CHE → Methylcyclopentenes (MCPEs) → Methylcyclopentane (MCPA); CHE → Cyclohexadienes (CHDEs) → Benzene → Alkylbenzenes; CHE and others → Hydrocrackedproducts. The overall hydroconversion of CHE was achieved in the catalyst order: Pd/H‐ZSM‐5 > Pd/H‐ZSM‐5(HF) > Pd/H‐ZSM‐5(HCl). CHE hydrogenation step was the major reaction at low temperatures which significantly inhibited via HCl treatment, but slightly enhanced via HF treatment. At medium temperatures, on all catalysts, isomerisation to MCPEs and MCPA increase to a maximum then a decline with a further increase of temperature. The overall isomerisation of CHE was highest on the untreated catalyst. During the higher temperature range, dehydrogenation, alkylation and hydrocracking were increased with temperature. Dehydrogenation of CHE always yielded larger amounts of 1,3‐CHDE than 1,4‐CHDE. These cyclohexadienes were produced in the catalyst order: Pd/H‐ZSM‐5(HF) > Pd/H‐ZSM‐5(HCl) > Pd/H‐ZSM‐5. In general, benzene alkylation to toluene exceeded that of xylenes, indicating that the second methylation is more difficult than the first. However, the catalytic activities for benzene and toluene production were in the order: Pd/H‐ZSM‐5 » Pd/H‐ZSM‐5(HCl) > Pd/H‐ZSM‐5(HF), whereas for xylenes production, Pd/H‐ZSM‐5 » Pd/H‐ZSM‐5(HF) > Pd/H‐ZSM‐5(HCl). Intrapore diffusion plays an important role during the dehydrogenation reactions as well as during the interconversion of individual aromatic hydrocarbons.