Fe/Fe_2和NO反应的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(Density Functional Theory)中的B3LYP方法在6-311+G(d,p)的计算水平上研究了Fe/Fe_2与NO反应的相关微观机理.全参数优化了Fe+NO和Fe_2+NO反应体系在不同重态反应势能面上各驻点的几何结构,并用频率分析法以及内禀反应坐标(Intrinsic Reaction Coordinate)方法对过渡态进行了验证,得到了相对应的反应的微观反应路径.用"两态反应"分析反应机理,计算结果表明2个体系的优先选择路径均为低自旋态进入和高自旋态离开反应.通过对2个体系反应活化能的比较,Fe_2+NO体系更易进行.     

水蒸气对甲烷在金属铁表面还原NO行为的影响

采用程序控温电加热水平陶瓷管反应器,在N2气氛和模拟烟气气氛中、300~1100℃下,研究了水蒸气对甲烷在金属铁表面还原NO行为的影响,并对反应前、后铁样品进行了X光衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及X光电子能谱(XPS)等表征。结果表明,水蒸气对甲烷在金属铁表面还原NO行为的影响较小。在N2气氛中,水蒸气参与了金属铁的氧化;与无水蒸气时相比,水蒸气存在时NO还原效率有所下降。当水蒸气含量从2.5%增加到7%时,由于水蒸气对金属铁的氧化导致其表面形成疏松的微观孔隙,使得NO的还原效率随水蒸气含量的增加而提高。甲烷则参与了铁氧化物的还原,使铁样品表面形成相对致密的Fe3O4和FeO氧化层,不利于NO与金属铁的接触,使得NO的还原效率低于无甲烷时的结果。在模拟烟气条件下,水蒸气使得甲烷在金属铁表面还原NO的效率增加;在1050℃下,反应段过量空气系数SR1=0.7和燃尽段过量空气系数SR2=1.2时,含7%的H2O和无H2O条件下脱硝效率分别为96.7%和90.6%。而在湿烟气中SO2使NO还原效率略有下降。持久性脱硝实验结果表明,当反应温度为1050℃时,在含7%的H2O、0.02%的SO2的模拟烟气中,1.14%的甲烷在金属铁表面持续50h都能保持90%以上的脱硝效率。     

Cu改性Fe/Al-PILC催化剂的SCR-C3H6脱硝特性实验研究

为提高Fe/Al-PILC催化剂的SCR脱硝的低温活性,采用Cu对Fe/Al-PILC催化剂进行改性。采用超声浸渍法合成系列xCu-Fe/Al-PILC催化剂,通过XRD、N₂吸附-脱附、H₂-TPR、UV-vis、XPS、Py-FTIR等系列技术手段进行表征。在固定床微反应器上进行C₃H₆的选择性催化还原NO的实验。结果表明,经过铜改性后的xCu-Fe/Al-PILC催化剂有效解决了Fe/Al-PILC催化剂低温SCR活性不足的问题,同时提高了中高温活性。催化剂在200-500℃能够实现80%以上脱硝效率,其中,0.13Cu-Fe/Al-PILC在250-500℃实现了90%以上NO转化率,并在250℃达到最高脱硝效率93%。XRD、N₂吸附-脱附结果表明,经过铜改性的催化剂可以提供更多反应活性位,提高反应速率。H₂-TPR结果表明,掺杂铜使催化剂获得低温还原能力,同时增强了中高温还原能力。UV-vis、XPS结果表明,铜掺杂不仅使铁获得更高氧化态,同时产生了更多低温活性物质孤立Fe³⁺。Py-FTIR结果表明,催化剂表面同时存在Lewis酸和Brønsted酸,Lewis酸是SCR反应活性中心。     

一步水热合成Cu-SSZ-13分子筛选择性催化C3H6还原NO

采用铜胺配合物(Cu²⁺-四乙烯五胺,Cu-TEPA)作为结构导向剂,通过一步水热法合成不同铜铝比(n_Cu/n_Al)和硅铝比(n_Si/n_Al)的Cu-SSZ-13分子筛催化剂,研究其在贫燃条件下丙烯选择性催化还原NO(C₃H₆-SCR)的性能。当n_Cu/n_Al=2、n_Si/n_Al=6时2.0Cu-SSZ-13(6)催化剂具有最好的低温脱硝活性,200℃时NO转化率超过80%,在250~300℃可实现100%脱硝效率和~100%N₂选择性,同时具有较强的抗水、抗硫性能。为研究不同n_Cu/n_Al和n_Si/n_Al对催化剂物理化学特性的影响,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N₂吸附-脱附测试、H₂程序升温还原(H₂-TPR)、氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)、紫外可见光谱(UV-Vis)等手段对样品进行表征。结果表明,2.0Cu-SSZ-13(6)具有最佳的脱硝性能,这是因为其具有最大的比表面积、最强的表面酸性和分布最多的孤立态Cu²⁺离子。Cu-SSZ-13上丰富的酸性位可以有效促进C₃H₆和NO的吸附和活化,SSZ-13分子筛八元环中孤立的Cu²⁺离子具有良好的氧化还原性能,是C₃H₆-SCR反应的主要活性位。随着n_Cu/n_Al的增加,孤立的Cu²⁺离子会在分子筛表面迁移、集聚形成CuO物种,从而导致C₃H₆-SCR活性下降。     

Fe_2与SO_2反应的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论-Density Functional Theory(DFT)中的B3LYP方法在6-311+G(d,p)的计算水平上研究了Fe_2+SO_2→2FeO+S反应的相关微观机理.全参数优化了七重态以及九重态反应势能面上各驻点的几何结构,用频率分析法以及内禀反应坐标-Intrinsic Reaction Coordinate(IRC)方法对过渡态进行了验证,得到了该反应的微观反应路径和反应势能面-Potential Energy Surface(PES),并用两态反应分析其反应机理.通过对反应过程的分析发现,反应在七重态以及九重态势能面上的反应路径是相似的,势能面上的两个交叉点能增加反应放热,有效地降低反应的活化能,为整个反应体系提供了一条能量较低的反应路径.     

过渡金属铁团簇Fe_4和NO反应的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法在6-311+G(d,p)计算水平上研究了第一过渡系金属铁团簇Fe_4在基态和第一个激发态与NO的反应机理.全参数优化了体系中十四重态以及十六重态反应势能面上的各驻点结构,并用频率分析法和内禀反应坐标法对过渡态进行了验证.通过对反应过程的分析发现,反应在十四重态以及十六重态势能面上的反应机理是相似的.而且,该反应是一个三步反应,其中C1→TS1键是整个反应的决速步.由于势能交叉点的存在,可以有效降低反应的活化能,这在热力学和动力学上都是非常有利的.     

Co/Fe/Al2O3/cordierite催化C3H6选择性还原NO的实验研究

采用溶胶凝胶法和浸渍法制备了负载于蜂窝陶瓷上的Co/Fe/Al₂O₃/cordierite催化剂,在陶瓷管流动反应器上对其催化C₃H₆选择性还原NO的性能进行了测试。结果表明,该催化剂表现出最优脱硝性能,在模拟烟气条件下,当反应温度为550 ℃时可实现97%的脱硝效率。Co的引入可显著增强Fe/Al₂O₃/cordierite催化剂抗SO₂和H₂O的能力。在模拟烟气中同时引入0.02% SO₂和3% H₂O后,1.5Co/Fe/Al₂O₃/cordierite的脱硝性能受影响甚微,当反应温度高于500 ℃时1.5Co/Fe/Al₂O₃/cordierite催化C₃H₆还原NO的效率均可达到90%以上;相比之下,未经Co修饰的催化剂Fe/Al₂O₃/cordierite脱硝性能受到了严重的抑制,在整个反应温度区间（200-700 ℃）内,其催化C₃H₆还原NO的效率最高不足50%。XRD和SEM表征结果表明,经过适量的Co修饰后的1.5Co/Fe/Al₂O₃/cordierite表面变得更疏松,且形成了以钴铁和钴铝双金属氧化物为主要成分的球状晶粒。H₂-TPR结果表明,相比于Fe/Al₂O₃/cordierite,1.5Co/Fe/Al₂O₃/cordierite有更好的低温还原性能。Py-FTIR结果表明,Co的引入可使催化剂表面的Lewis酸明显增加,且生成了Brønsted酸。N₂吸附-脱附表征结果表明,Co可增大催化剂的比表面积。