担载型Co/ZSM-5催化剂表面Co组分结构与柴油车NO_x净化性能

在摸拟轻型柴油车尾气的反应装置上,结合多种物理化学手段研究了富氧条件下Co/ZSM-5催化剂上Co组分分散状态及其C3H8选择性催化还原NOx性能.结果表明,浸渍法制备的Co/ZSM-5催化剂,ZSM-5表面Co的分散容量约为4.5%,当Co担载量高于4.5%时,Co物种开始在分子筛表面聚集形成Co3O4晶体,发生在Co3O4晶体上强的NOx吸附脱附,对富氧条件下C3H8选择性催化还原NOx是不利的.催化剂上孔内的钴物种主要以Co2+离子形式存在,而孔外表面既存在Co3+物种,也存在Co2+物种,Co3+的相对量随Co担载量的增加而增大.在催化剂孔外表面形成的以Co3+和Co2+结合的含有Co-Co键的低聚态Co Ox物种具有较合适的NOx吸附脱附性能和较强的氧化还原性,是富氧条件下C3H8选择性催化还原NOx反应的主要活性中心,反应需要在相邻的两个Co2+和Co3+活性位上完成.     

富氧条件下Co/ZSM-5催化剂对C3H8选择还原NOx的性能

采用多种物理化学手段研究了在模拟的轻型柴油车尾气中不同Co担载量及Cu掺杂的Co/ZSM-5催化剂的Co组分分散状态、可还原性、NO吸附脱附性质对C₃H₈选择性催化还原NO_x性能的影响。结果表明,浸渍法制备的Co/ZSM-5催化剂上既有外表面上的Co³⁺和Co²⁺物种,也有孔内的Co²⁺离子。富氧条件下Co/ZSM-5催化剂上C₃H₈选择性催化还原NO_x的活性主要与ZSM-5载体孔外表面分散的CoO_x物种中的钴离子可还原能力和NO吸附脱附性能密切相关。Co/ZSM-5催化剂上适宜的Co担载量约为4.0wt%,低担载量时随Co担载量增加,表面CoO_x物种中钴离子可还原能力增强,C₃H₈选择性催化还原NO_x的低温转化活性增加;高担载量时,随Co担载量增加,单位Co离子的NO吸附量的减少以及催化剂表面活性中心数的减少,导致了Co/ZSM-5催化剂NO_x的转化率和催化剂比速率（k）的下降。孔外表面Co₃O₄晶体的存在使催化剂表面产生较强的NO吸附,并在高温时有利于C₃H₈的氧化燃烧,使C₃H₈选择性催化还原NO_x的活性降低。     

铁改性的Mo/ZSM-5催化剂上NO的选择性催化还原反应

采用浸渍法制备了Mo/ZSM-5, Fe/ZSM-5和不同Fe和Mo摩尔比的Fe-Mo/ZSM-5样品, 并以氨为还原剂对其NO选择性催化还原活性以及反应条件对催化性能的影响进行了研究. 结果表明, Fe-Mo/ZSM-5样品的NOx转化率明显比单独的Mo/ZSM-5和Fe/ZSM-5的高. 当n(Fe):n(Mo)为1.5时, Fe-Mo/ZSM-5样品具有最佳催化性能, 其NOx转化率在430 ℃时达到了96%, 并且能在高空速和不同O2气浓度的条件下保持高的催化活性. 同时采用XRD和XPS技术分别对催化剂的体相结构和表面性质进行了研究, 结果表明, 当n(Fe):n(Mo)=1.5时, Fe和Mo元素之间以及与载体HZSM-5之间存在较强的相互作用, 并且其表面的Mo3d的含量最高. 这可能与其高的催化活性有关. 另外还发现, 在反应过程中Fe-Mo/ZSM-5催化剂表面的氮氧物种主要是吸附态NO, 因此可以推测NO的催化还原反应机理是, 在催化剂表面上, 吸附态NO与吸附NH3物种直接反应生成氮气, 而非经过氧化为NO2的途径.     

Mo／ZSM-5催化剂上NO催化还原反应机理与动力学研究

采用浸渍法制备了Mo/ZSM-5催化剂样品,并以氨为还原剂对其NO选择性催化还原活性、以及NO转化的反应速率进行测定.结果表明,在Mo/ZSM-5催化剂上不会发生NO氧化成NO2的反应,也没有N2O生成,然而有少量的NO分解反应发生.在氧气存在条件下,Mo/ZSM-5催化剂上NO-NH3-O2的SCR反应遵循LH机理.NO、O2和NH3首先吸附在Mo/ZSM-5表面,吸附态NO物种与吸附NH3物种直接反应生成氮气,气相氧的作用是加强NO吸附、补充催化剂表面吸附氧物种.并由此推导出NO转化的速率方程式,分别计算和模拟了在不同O2浓度、NO浓度和反应温度条件下NO的反应速率rNO值及其变化关系.结果表明,理论模拟值能够与实验值很好地吻合,所推测的机理能够很好地描述Mo-ZSM-5催化剂上NO选择性催化还原行为.     

Ag/Al2O3催化乙醇和甲醚选择性还原NOx反应机理的原位红外光谱研究

 尽管C2H5OH和CH3OCH3是同分异构体,但在以Ag/Al2O3为催化剂选择性催化还原NOx时,还原剂C2H5OH比CH3OCH3具有更高的活性. 原位漫反射红外光谱研究表明, C2H5OH和CH3OCH3在还原NOx反应过程中分别遵循不同的反应机理: 在Ag/Al2O3催化C2H5OH还原剂选择性还原NOx的反应过程中,烯醇式物种(RCH=CH-O-)和NO-3物种是主要的反应中间体,二者相互反应性能很强,可以生成反应关键中间体异氰酸酯(-NCO)表面吸附物种,因此NOx的去除率很高; 而在Ag/Al2O3催化CH3OCH3还原剂选择性还原NOx的反应过程中,甲酸盐(HCOO-)物种和NO-3物种是主要的反应中间体,二者之间反应生成-NCO 的活性较弱,因而NOx的去除率较低.     

载体性质对Pt催化剂H2选择催化还原NOx活性和选择性的影响

研究了Pt/MgO, Pt/γ-Al2O3, Pt/ZrO2和Pt/HZSM-5催化剂上H2选择催化还原消除NOx(H2-SCR)反应。结果发现, H2-SCR活性和N2生成选择性受催化剂中Pt的金属性以及载体的氮氧化物吸附能力影响很大。 HZSM-5的表面酸性使载体对NOx吸附能力较小,使担载Pt以较高的金属性存在,从而导致Pt/HZSM-5催化剂的高活性和高选择性。相反, Pt/MgO和Pt/γ-Al2O3催化剂较差的活性和选择性可归因于其载体的碱性表面、催化剂中Pt较低的金属性以及载体对氮氧化物较大的吸附能力。结合反应的原位红外光谱结果可以认为,在Pt/载体界面处亚硝酸根/硝酸根物种被还原为N2或N2O,取决于该处参与反应的活性H与这些含氮物种的相对数目。     

载体性质对Pt催化剂H2选择催化还原NOx活性和选择性的影响

研究了Pt/MgO, Pt/γ-Al2O3, Pt/ZrO2和Pt/HZSM-5催化剂上H2选择催化还原消除NOx(H2-SCR)反应。结果发现, H2-SCR活性和N2生成选择性受催化剂中Pt的金属性以及载体的氮氧化物吸附能力影响很大。 HZSM-5的表面酸性使载体对NOx吸附能力较小,使担载Pt以较高的金属性存在,从而导致Pt/HZSM-5催化剂的高活性和高选择性。相反, Pt/MgO和Pt/γ-Al2O3催化剂较差的活性和选择性可归因于其载体的碱性表面、催化剂中Pt较低的金属性以及载体对氮氧化物较大的吸附能力。结合反应的原位红外光谱结果可以认为,在Pt/载体界面处亚硝酸根/硝酸根物种被还原为N2或N2O,取决于该处参与反应的活性H与这些含氮物种的相对数目。     

富氧条件下Cu/Al2O3催化剂上C3H6选择性还原NO的研究

以Cu/Al2O3为催化剂,对富氧条件下C3H6为还原剂选择性催化还原NO反应进行了研究.活性评价结果表明,与高活性的Ag/Al2O3催化剂相比,Cu/Al2O3催化剂选择性还原NO的活性较低,NO的最高转化率仅为40%.在所考察的温度范围(473～723K)内,红外谱图中不存在有机含氮化合物(R—ONO和R—NO2)的特征振动吸收峰.作为反应中间体—NCO的前驱体,有机含氮化合物在Cu/Al2O3催化剂表面难以生成是造成催化剂选择性还原NO活性低的直接原因.在Cu/Al2O3催化剂上,NO2吸附能够优先发生,并以NO3-物种的形式覆盖在大部分催化剂表面.动态原位红外光谱实验发现,这种NO3-表面物种与C3H6的反应性较差,使生成有机含氮化合物的关键反应难以发生,但此时的催化剂表面有利于C3H6和O2的完全氧化反应,这是导致Cu/Al2O3催化剂选择性较低的根本原因.     

贫燃条件 In-Ag/TiO2-γ-Al2O3催化 CO选择性还原NO

汽车尾气中主要污染成分 CO和 NOx可导致酸雨、光化学烟雾和臭氧空洞效应,对生物、环境及生态系统造成重大危害。污染源中 CO是性能优良的还原剂,如能不添加还原剂实现 CO催化还原 NOx,将成为最具经济技术优势的 NOx脱除技术。在富氧、低温条件下,利用 CO选择性催化还原 NOx为 N2,是目前选择性催化还原研究中的热点和难点。催化 CO还原 NOx常用的贵金属 Ir, Rh, Pt和Pd矿藏稀少,价格昂贵,有氧条件下活性急降,而分子筛催化剂和一些金属氧化物催化剂普遍存在反应温度高,尤其对 N2选择性差等问题。为解决上述问题,需寻找新的适合我国矿产资源的催化体系。研究发现,稀散金属基催化剂对氮氧化物的净化具有一定效果,因而可将我国的稀散金属资源优势转化为技术优势和经济优势。因此,本文以 TiO2-γ-Al2O3(TA)为载体, In/Ag为活性组分,采用等体积浸渍法制备了 InAg/TA以及 In/TA, Ag/TA和InAg/Al (γ-Al2O3为载体)催化剂,考察了贫燃条件下 CO选择性还原NO的催化活性。研究表明,双金属催化剂InAg/Al和 InAg/TA的活性比单金属催化剂In/TA和 Ag/TA高, In/TA催化剂中引入 Ag物种能降低起燃温度;另外,相比于InAg/Al催化剂, InAg/TA催化剂具有较高的催化活性,550?600°C时 N2产率超过60%,说明载体中引入TiO2可以提高催化剂活性。为了深入研究 InAg/TA催化剂中 Ag物种和TiO2对 In物种的作用,通过比表面测定、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱、紫外-可见光吸收光谱、氢气程序升温还原、傅立叶变换红外线光谱等方法分析了催化剂结构和表面形态。结果表明, Ag物种可以提高 In物种的分散性, In和 Ag物种在 TA载体表面可以很好地分散,从而有利于提高催化活性。 In和 Ag物种在 TA载体表面以氧化态形式存在,并且 Ag物种可以提高 In物种表面含量,表面 In和 Ag物种含量越高,吸附活性位越多,催化活性越高;同时, TiO2也可以促进 NO吸附,从而提高 InAg/TA催化剂活性。 InAg/TA催化剂在450°C连续反应72 h进行稳定性测试,测试前后分别在50?600°C进行活性测试,并用 XRD和 TEM对反应后的催化剂进行表征测试。结果表明, InAg/TA催化剂具有较好的稳定性,连续反应前后催化剂活性基本保持不变,推测可能由于在有 CO和O2存在的体系中, Ag物种利用自身 Ag+与 Ag0之间的氧化还原反应抑制了活性组分 In2O3的还原和聚集,稳定了 In物种乃至催化剂活性。 InAg/TA催化剂用于贫燃条件下CO还原NO具有较好的催化效果,主要归因于催化剂活性组分分散性好,稳定性高,对NO吸附能力强。 Ag物种可以稳定In物种并提高其分散性, TiO2可以改善In物种和Ag物种的分散性并促进NO吸附。     

用FTIR方法表征一氧化氮在Co／ZSM-5和[Co+Mg(Sr)]／ZSM-5上的吸附

用傅里叶红外光谱（FTIR）方法表征了一氧化氮在Co/ZSM-5上的吸附,在 Co/ZSM-5上主要的吸附物种为Co^2+-(NO)2,它们的红外吸附峰位在1813和 1896cm^-1,Co^2+-NO吸附峰在1939-1941cm^-1区域。并且由这些吸附锋的强度得 NO的吸附量经验关系式：CNO=INO/（εNO·m/3.14）。由此式计算出NO在Co/ZSM- 5和[Co+Mg(Sr)]/ZSM-5上的吸附NO的吸附浓度,另用FTIR方法表征了Co/ZSM-5和 [Co+Mg(Sr)]／ZSM-5的差劲基峰。这些表征为氮氧化物选择性催化还原（SCR）反 应催化剂的研制提供了有用的信息。     

用于NO_x低温下吸附还原的CoO_x/CeO_2二元氧化物的制备

研究了以多孔二氧化硅微球和活性炭为载体制备NOx吸附/还原催化剂的方法,摸索了最佳Ce/Co物质的量的比例。采用低温氮吸附方法测定了样品的BET比表面和孔容,利用XRD方法表征了样品中所掺杂的金属元素的晶型。研究发现:当nCe/nCo=75/25时,材料获得最佳NOx吸附能力,当以多孔二氧化硅微球作载体时,材料对于NOx的吸附主要来自CoOx和CeO2的二元氧化物;当以活性炭作为载体时,活性炭参与了NOx的吸附,因此其吸附容量大大提高。对NOx的吸附机理进行了探讨,并研究了样品的NH3还原性质。     

制备方法对Co-MOR催化剂CH4选择还原NO性能的影响

采用离子交换法、浸渍法制备一系列的Co-MOR 催化剂, 并将其用于CH₄选择性催化还原 NO_x(CH₄-SCR)反应. 运用X 射线衍射(XRD)、X 射线荧光光谱(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-拉曼(UVRaman)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、NO程序升温脱附(NO-TPD)等手段对催化剂进行了表征. 结果表明, 浸渍法制备的催化剂, Co以Co₃O₄形式存在; 而离子交换法制备的催化剂, Co以离子形式进入丝光沸石(MOR)骨架之中, 在催化剂上形成更多的Co²⁺和[Co-O-Co]²⁺, 形成更均匀NO吸附中心和CH₄-SCR反应活性中心. 催化剂活性评价表明离子交换法制备的催化剂具有更宽的活性温度区间, Co(0.30)-MOR 催化剂在327-450℃温度范围内NO转化率大于50%.     

片状Co9S8/ZnS/C复合材料的制备及电催化产氧性能

以六水合硝酸钴[Co(NO_3)_2·6H_2O]为钴源、六水合硝酸锌[Zn(NO_3)_2·6H_2O]为锌源、2,2′-硫代二乙酸(C4H6O4S)为硫源,采用溶剂热法制备出了片状的Co_9S_8/ZnS/C复合材料。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和N_2吸附/脱附测试等手段对于片状Co_9S_8/ZnS/C复合材料结构和形貌等进行表征,同时对片状Co_9S_8/ZnS/C复合材料进行了电催化产氧性能测试。结果表明:片状Co_9S_8/ZnS/C复合材料的起始过电位为390 mV,塔菲尔斜率为144 mV·dec~(-1),具有高的电催化产氧性能。     

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.     

NH3-SCR脱硝催化剂抗硫性能的研究进展

氮氧化物(NO_x)是一种重要的大气污染物, 它造成严重的环境问题, 同时威胁人类健康. 以钢铁烧结烟气为代表的固定源和以柴油机尾气为代表的移动源是氮氧化物的主要来源. 氨气选择性催化还原法(NH₃-SCR)是目前最有效且应用最广泛的NO_x脱除技术. 然而, 无论是固定源还是移动源上NH₃-SCR催化剂, 都不可避免地会被SO₂毒化, 造成催化剂失活, 限制了NH₃-SCR技术的进一步应用. 因此, 研究NH₃-SCR催化剂的SO₂中毒机制以及提高催化剂的抗硫性能至关重要. 我们对固定源脱硝的金属氧化物和移动源上脱硝的Cu基分子筛这两类不同催化剂体系的SO₂中毒机制的研究进展进行了介绍, 并对这两种催化剂上提高抗硫性能改性方法的研究进展进行了评述, 为未来的研究提供了参考.     

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.     

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.     

Mn-Mo-W-O_x脱硝催化剂活性组分的配伍优化

采用等体积浸渍法制备系列Mn-Mo-W-O_x/堇青石和Mn-Mo-W-O_x/TiO_2催化剂,用于选择性催化还原NO.通过Mn、Mo、W 3种元素不同配比对催化剂配伍进行优化,确立Mn-Mo-W-O_x最佳配比.采用XRD、N_2-BET、PyIR、SEM以及XPS等表征分析催化剂的固相结构、比表面积、酸量、表面形貌和表面元素.结果表明:当Mn/Mo/W元素摩尔比为10∶0.5∶1,载体为TiO_2时,催化剂的催化性能最优.适量Mo掺入Mn-W-O_x催化剂可以增大其比表面积,提高催化剂表面L酸酸量以及Mn~(4+)离子浓度,从而有效提高了催化剂高温活性.载体替换为TiO_2时催化剂的比表面积和酸量明显提高,从而增强了催化剂的脱硝性能.     

Effect of epitaxial growth on the formation of the cobalt catalysts of the Fischer-Tropsch synthesis

Mixed oxides Co_xAl_yO₄ with different Al/Co ratios applied as supports for the catalysts of the Fischer-Tropsch synthesis were prepared using the solid-state chemical reaction. The Co_xAl_yO₄ supports were prepared by modifying gibbsite with various cobalt salts (acetate, nitrate, and basic carbonate). The use of basic cobalt carbonate gives the Co(20%)/Co_xAl_yO₄ catalyst, which provides an increased yield of hydrocarbons C₅₊ and a decreased methane content compared to the impregnation catalyst Co(30%)/Al₂O₃. The introduction of small amounts of rhenium additives makes it possible to enhance the yield of hydrocarbons C₅₊ (179 g m⁻³) and also to increase the selectivity with respect to the C₅–C₁₈ fraction. The introduction of basic cobalt carbonate into the support, most likely, creates favorable conditions for the epitaxial growth of the precursor of the active phase. Dedicated to Academician G. A. Abakumov on the occasion of his 70th birthday. Published in Russian in Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 9, pp. 1856–1860, September, 2007.