Cu-SAPO-34催化剂的低温水热稳定性及其对NH3选择催化还原NOx反应性能的影响

随着柴油车数量的增加,NOx污染的控制成为了当今社会的一个重要议题,NOx可以导致酸雨,光化学烟雾以及慢性健康问题.目前,具有八元环孔口的含铜CHA型分子筛(包括Cu-SSZ-13和Cu-SPAO-34)具有优异的高温水热稳定性及宽温度范围内的活性和N2选择性,是最具有吸引力的氨选择催化还原催化剂,而且在欧洲和美国已经得到了应用.SAPO-34分子筛的一个重要缺陷就是在100 oC以下,对水较为敏感,这主要是由于Si–O–Al键的水解造成的.研究表明,在室温下接触水蒸气后,SAPO-34的结晶度和比表面积只能部分恢复,而如果长达数月甚至更长时间的接触后,分子筛将会遭受骨架坍塌等不可逆的破坏,到目前为止,Cu-SAPO-34的低温水热稳定性相关问题并未得到清楚的阐述.本文系统研究了不同铜含量和硅含量的Cu-SAPO-34催化剂的低温水热稳定性.结果显示,低温水热处理后,所有催化剂的NH3氧化活性和NH3-SCR活性(主要是低温活性)都有所下降.29Si MAS NMR结果表明,在低温水热处理过程中,骨架结构的破坏在所难免,但催化剂上铜含量的增加有助于Cu-SAPO-34的骨架结构和酸性的更好保持.EPR结果表明,当催化剂上铜含量较低时,孤立Cu2+的稳定性和SAPO分子筛骨架的稳定性呈现正相关的关系.具有较高铜含量(如3.67 wt%)的样品,尽管其骨架结构和酸性在低温水热处理过程中可以得到较好的保持,但活性Cu2+的量仍会有明显的下降.由于部分样品在低温水处理后,NH3氧化反应活性下降,我们推测CuO颗粒发生了聚结,从而抑制了催化剂的NH3氧化反应活性,N2O化学吸附实验也证实了该结论.在所有催化剂中,具有中等铜含量(1.37%)的高硅Cu-SAPO-34样品在低温水处理过程中的Cu2+量和酸性质均得到了较好的保持,所以其水处理后的NH3-SCR活性衰减最小.     

铜源对Cu-SAPO-34氨催化还原NO性能的影响

采用离子交换法制备3种不同铜前驱体的Cu-SAPO-34分子筛催化剂,考察铜源对催化剂氨催化还原NO_x性能的影响,同时通过ICP、XRD、BET、H_2-TPR、XPS、NH_3-TPD等表征技术进行分析.活性结果表明,不同铜源制备的Cu-SAPO-34分子筛催化剂的NH_3-SCR高温活性基本相同,但中低温活性有较大差别.3种催化剂的中低温活性顺序为Cu(醋酸铜)-SAPO-34Cu(硫酸铜)-SAPO-34Cu(硝酸铜)-SAPO-34,以醋酸铜为铜源制备的催化剂中低温活性最高,在209℃NO_x转化率达85.2%.表征结果表明,不同铜源导致所制备催化剂的铜物种形式和数量及酸性强度不同,以醋酸铜为铜源制备的Cu-SAPO-34催化剂的Cu~(2+)起始还原温度最低,Cu~(2+)含量较多,酸性最强,因此其中低温活性最好.     

重构法合成Cu-SAPO-34及其NH_3-SCR催化性能 （英文）

氨选择催化还原NO_x(NH_3-SCR)是重要的柴油车尾气脱硝技术.发展高效且稳定的催化剂是提升该技术指标、应对严苛排放标准的关键.近年来,以Cu-SSZ-13和Cu-SAPO-34为代表的金属离子负载分子筛催化剂材料因其较宽的活性温度窗口和高水热稳定性受到研究者的广泛关注.Cu-SSZ-13分子筛催化剂已被BASF公司商业应用.相较Cu-SSZ-13,Cu-SAPO-34具有更优的低温活性与高温水热稳定性,且合成成本低廉.但Cu-SAPO-34的低温耐水性差,当采用传统的金属离子负载过程进行反复多次离子交换时,存在分子筛结晶度下降(部分骨架结构塌陷)的风险.使用铜四乙烯五胺络合物(Cu-TEPA)作为模板剂和铜源一步合成Cu-SAPO-34可以避免反复的离子交换过程,但由于Cu-TEPA的模板导向能力过强,Cu负载量难以控制,而降低Cu-TEPA的投料量则会损失产品收率.同时,该方法合成的Cu-SAPO-34中含有大量硅岛,分子筛催化剂的水热稳定性显著降低.针对这些问题,本文提出利用一步合成的高铜含量Cu-SAPO-34作为前驱体与铜源合成Cu-SAPO-34的方法(命名为重构法).该方法不仅产品收率高,而且Cu和Si的含量/分布可控,合成样品的NH_3-SCR催化性能和水热稳定性也明显提升.EDX结果显示,焙烧后的Cu-SAPO-34中铜分布均匀,说明前驱体充分参与了Cu-SAPO-34的重构.~(13)C NMR和元素分析结果显示,相较一步法合成的Cu-SAPO-34,重构的Cu-SAPO-34中的四乙烯五胺在模板剂中的比例明显下降.Cu-TEPA限域在前驱体的CHA笼中,有效抑制其结构导向剂的作用.Cu引入量由前驱体加入量决定.~(29)Si NMR结果显示,Cu-SAPO-34中的硅主要呈Si(4Al)分布,这有利于Cu-SAPO-34保持良好的高温水热稳定性.NH_3-SCR反应结果显示,相较一步法合成的Cu-SAPO-34,重构的Cu-SAPO-34表现出良好的NH_3-SCR反应活性和更优异的高温水热稳定性.不同硅含量的重构Cu-SAPO-34的NH_3-SCR反应结果显示:在低温段,低硅含量的Cu-SAPO-34具有更高的反应活性;在高温段,高硅含量的Cu-SAPO-34具有更高的反应活性.通过NH_3-TPD和原位红外漫反射分析发现,低硅含量的Cu-SAPO-34具有相对较弱的酸性,使得吸附的氨具有较高的反应性,催化剂的低温活性较高.     

柴油机尾气中的碱性无机污染物引起Cu-SAPO-18脱硝催化剂的化学失活

选择性催化还原NO_x (NH_3-SCR)已是柴油机尾气处理系统中有效的NO_x减排技术.铜基分子筛催化剂作为潜在的NH_3-SCR催化剂已被广泛研究,其中具有AEI结构的Cu-SAPO-18分子筛表现出优异的脱硝活性和水热稳定性,成为柴油机尾气后处理系统潜在的替代品.然而在实际的后处理应用中,生物柴油污染物、发动机润滑剂和燃料添加剂中的一些无机组分(K, Na, S, P, Ca和Mg等)可逐渐聚集在催化剂表面,导致催化剂孔道堵塞和活性位点丢失,最终导致SCR催化剂失活.由于碱金属和碱土金属在柴油衍生物中含量较高,因而其对SCR催化剂的影响引起了人们更多的关注.本文采用浸渍法制备了掺杂不同含量碱性无机污染物(K, Na, Ca和Mg)的Cu-SAPO-18催化剂,以阐明这些污染物对Cu-SAPO-18结构、酸性位点和铜物种的影响.XRD和氮吸附实验结果表明,低含量污染物的掺入造成催化剂孔道堵塞和比表面积下降,而高含量污染物引入导致催化剂部分结构被破坏,其中高含量Na的引入造成催化剂结构破坏最为严重.H_2-TPR和EPR结果表明,污染物引入Cu-SAPO-18后,催化剂的Cu~(2+)数目减少,这是由于Cu~(2+)被K~+, Na~+, Ca~(2+)和Mg~(2+)取代造成的.被取代的Cu~(2+)由于无法位于离子交换位点上会在煅烧过程中转变成CuO和CuAl_2O_4, CuO的产生会造成催化剂孔道堵塞甚至部分骨架结构坍塌.另外,NH_3-TPD结果表明,与新鲜催化剂相比,被污染的Cu-SAPO-18催化剂总酸性位点减少,这是由于H~+和Cu~(2+)被K~+, Na~+, Ca~(2+)和Mg~(2+)取代造成Br?nsted酸和Lewis酸减少造成的.催化剂比表面积的降低、Cu~(2+)数目以及酸含量的减少最终造成催化剂失活,且催化剂失活程度随无机污染物含量的增加而增大.但不同无机组分造成催化剂的失活程度不同,其中K, Na, Ca和Mg造成Cu-SAPO-18催化剂失活程度为K Na Ca Mg.此外, K, Na, Ca和Mg造成Cu-SAPO-18催化剂比表面积、Cu~(2+)含量以及酸含量的减少程度分别为Na K Ca Mg, Na K Mg Ca和K Na Ca Mg.其中酸含量下降程度与催化剂失活程度一致,表明在某种程度上,酸含量对催化剂NH_3-SCR活性的影响高于催化剂结构和Cu~(2+)对活性的影响.最后,我们还通过NH3-SCR动力学测试研究了K, Na, Ca和Mg对Cu-SAPO-18催化NH_3-SCR反应机理的影响,结果显示新鲜催化剂和被污染催化剂具有相近的活化能,表明无机污染物对Cu-SAPO-18催化NH3-SCR反应机理没有影响.     

改性Cu-Mn/SAPO-34催化剂在SCR脱硝反应中的特性研究

采用浸渍法制备了系列铜锰复合氧化物分子筛催化剂(Cu-Mn/SAPO-34),在固定床反应器上考察不同Cu/Mn质量比对分子筛催化剂选择催化还原NO的影响,利用XRD、NH_3-TPD、H_2-TPR、XPS等手段对催化剂进行了表征分析。结果表明,双金属改性的Cu-Mn/SAPO-34催化剂在NH_3-SCR反应中表现出较为优异的催化活性,具有较宽的活性温度窗口。当Cu/Mn质量比为1∶4时,催化剂具有最宽的活性温度窗口,NO_x转化率在250℃已达到85.39%,在300-400℃转化率均达到96%以上,450℃时仍能达到90%。铜和锰物种高度分散于催化剂表面,未改变SAPO-34的晶体结构,且构成协同作用。Cu-Mn共同负载促进了Cu~(2+)向Cu~+的转变,增加了高价态Mn~(4+)和Mn~(3+)的比例,有利于提高低温活性,促进催化反应的进行。Cu-Mn/SAPO-34/1∶4具备丰富的酸性位、良好的氧化还原性能和抗SO_2/H_2O性能,该配比有助于催化剂的催化活性和稳定性的提高。     

具有丰富介孔Cu-SAPO-34催化剂制备及其低温氨气选择性催化还原反应(英文)

氮氧化物(NO_x)是主要的大气污染物之一,与光化学烟雾、全球气候变暖等环境问题密切相关.随着汽车产业的高速发展,柴油车排放尾气中的NOx脱除成为国内外尾气催化净化领域最突出的难点之一.其中氨气选择性催化还原技术(NH_3-SCR)由于其高效率、低成本的特征已成为主要的移动源脱硝技术.目前,实际应用中最广泛的是V_2O_5-WO_3(MoO_3)/TiO_2催化剂,然而一些不可避免的因素仍然存在,比如V具有较强的毒性,较高的操作温度,较窄的活性温度窗口以及易将SO_2氧化为SO_3导致催化剂表面会有大量的硫酸盐沉积而失活等.因此很有必要开发一种无钒SCR催化剂.近年来,分子筛负载过渡金属作为催化剂引起了研究者的广泛兴趣,其中Cu-CHA分子筛催化剂因其高SCR活性,高N2选择性,较宽的温度窗口以及优异的稳定性引起研究者的广泛关注.就Cu/SAPO-34而言,传统的制备方法是利用离子交换法将Cu离子引入到SAPO-34微孔孔道中,然而由于微孔会限制Cu离子的分布,导致绝大多数Cu优先分布在分子筛外表面,从而限制了其活性发挥.Martínez-Franco课题组利用双模板一步法成功制备了Cu-SAPO-34催化剂,提高了分子筛中活性Cu离子数目.Peden课题组发现在NOx的NH_3-SCR反应中Cu-SAPO-34催化剂存在低温动力学限制.因此开发一种具有丰富介孔的多级孔Cu-SAPO-34催化剂势在必行.我们利用一步水热晶化法成功制备了一系列具有丰富介孔的Cu-SAPO-34催化剂.采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、~(27)Al核磁共振(Al-NMR)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)和电子顺磁共振(EPR)等表征手段研究了Cu-SAPO-34多级孔催化剂的物理化学性质.XRD测试结果证实,H-Cu-SAPO-34催化剂具有典型的CHA结构.TEM和N2吸附-脱附测试结果表明,H-Cu-SAPO-34催化剂具有丰富的介孔结构.Al-NMR测试结果表明,多种配位的Al物种存在于H-Cu-SAPO-34中.UV-Vis DRS测试结果证实了孤立Cu~(2+)和高分散的CuO的存在,没有观察到(Cu-O-Cu)2+和CuAl2O4物种的存在.ICP-AES和XPS测试结果表明,H-Cu-SAPO-34催化剂具有相似的Cu含量,并且H-Cu-SAPO-34-20催化剂具有最高的Cu~(2+)含量.H2-TPR测试结果表明,H-Cu-SAPO-34-20催化剂具有最低的孤立Cu~(2+)还原温度以及最高的孤立Cu~(2+)含量.这可能有利于其NH3-SCR活性提高.同时H2-TPR还表明,H-Cu-SAPO-34催化剂中存在含量不等的孤立Cu+,并且孤立Cu~(2+)是NH3-SCR反应的主要活性中心.EPR测试结果进一步表明,位于SAPO-34椭球腔内(Site(I))的孤立Cu~(2+)是该反应的主要活性位.由NO的NH3-SCR反应测试结果来看,相比于普通的Cu/SAPO-34催化剂,具有丰富介孔结构的H-Cu-SAPO-34催化剂呈现出更高的低温催化活性,同时H-Cu-SAPO-34-20催化剂具有最高的低温NH3-SCR催化活性,这与其较高的活性Cu~(2+)含量以及较低的孤立Cu~(2+)还原温度密切相关.动力学测试结果表明,所合成的H-Cu-SAPO-34多级孔催化剂具有相似的活化能(Ea=98 kJ/mol),并且该值远大于普通CHA基SCR催化剂,这意味着介孔的存在确实大大降低了反应物分子在H-Cu-SAPO-34孔道内的扩散阻力,提高了反应物分子与活性位的接触概率,从而提高了其低温NH3-SCR催化性能.     

小孔分子筛催化剂上氨选择性还原NO_x的研究进展

选择性催化还原(NH_3-SCR)NO_x是目前用于NO_x消除的主流技术.小孔分子筛催化剂(如Cu/SSZ-13 Cu/SAPO-34等)在NO_x的脱除中表现出良好的催化活性和水热稳定性,是环境催化领域研究的热点.本文重点总结和评述了几种不同过渡金属负载的小孔分子筛(特别是Cu分子筛)在NH_3-SCR脱除NO_x中的性能、影响因素以及NH_3-SCR的反应机理,并展望了小孔分子筛在NO_x脱除中未来的发展方向.     

Cu/SAPO-34催化剂的NH_3-SCO活性及抗水热性能研究

采用浸渍法制备了一系列不同铜含量的Cu/SAPO-34催化剂,考察了该系列催化剂上NH_3选择性催化氧化反应性能(NH_3-SCO)。实验结果表明,10%-Cu/SAPO-34催化剂在300℃温度下具有100%的NH_3去除率,且其氮气选择性大于90%。与此同时,通过XRD、BET、UV-vis、H_2-TPR和XPS等表征分析结果表明,高度分散的CuO是Cu/SAPO-34催化剂的主要活性组分。对10%-Cu/SAPO-34催化剂进行水热处理后,催化剂低温活性明显提高,催化剂的N_2选择性在325℃急剧下降。这是由于水热处理导致一定数量的铜物种发生迁移并且形成了更稳定的铜物种引起。SAPO-34的骨架结构遭到一定程度的破坏。     

新型八元环孔结构分子筛Cu/SAPO-35应用于NH_3-SCR的研究

采用六亚甲基亚胺(HMI)为模板剂,合成了新型SAPO-35分子筛,研究发现SAPO-35的酸性随着硅铝摩尔比增加[n(SiO_2)/n(Al_2O_3)=0.3,0.5,0.7]呈现先增加后降低的趋势,当n(Si)/n(Al)=0.7时,部分Si将发生SM3取代,进而降低SAPO-35酸量.进一步采用旋转浸渍法和离子交换法对SAPO-35进行改性,制得Cu/SAPO-35催化剂,并研究了其催化氨气选择性还原(NH3-SCR)反应的性能.催化剂表征结果表明,Cu主要以Cu~(2+)离子形式存在于离子交换法制备的Cu/SAPO-35中,因此其NH3-SCR催化性能更优良.基于液相离子交换法,进一步研究了不同硅铝比[n(SiO_2)/n(Al_2O_3)=0.3,0.5,0.7]SAPO-35原粉酸性对所制备Cu/SAPO-35催化剂NH_3-SCR反应活性的影响,结果表明,分子筛原粉强酸量越大,制得的Cu基催化剂中Cu~(2+)离子含量越高,从而催化剂的SCR活性、N_2选择性更优.     

一步水热合成Cu-SAPO-34选择性催化丙烯还原氮氧化物（英文）

采用一步法水热合成不同Cu/Al比的Cu-SAPO-34催化剂,并对其丙烯选择性催化还原NO(C3H6-SCR)性能进行了研究。通过N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原(H2-TPR)和原位漫反射傅里叶变换红外光谱(In situ DRIFTS)等研究手段对催化剂进行表征,考察Cu-SAPO-34中Cu物种含量对催化剂的物理化学性质和反应活性的影响。结果表明,当铜负载量为2.76%～4.12%(w/w)时,Cu-SAPO-34催化剂在富氧条件下300～400℃内表现出非常有吸引力的C_3H_6-SCR活性,可实现～100%的脱硝效率和～100%的N_2选择性。原位红外光谱研究表明,Cu-SAPO-34分子筛骨架上孤立的Cu~(2+)离子是NO吸附和活化形成NO_2~-/NO_3~-中间物种的主要活性位,并通过C_3H_6-SCR反应过程中Cu~(2+)/Cu~+氧化还原循环来实现Cu~(2+)离子的持续供给。     

重构法合成Cu-SAPO-34及其NH3-SCR催化性能 (英文)

氨选择催化还原NO_x(NH₃-SCR)是重要的柴油车尾气脱硝技术.发展高效且稳定的催化剂是提升该技术指标、应对严苛排放标准的关键.近年来,以Cu-SSZ-13和Cu-SAPO-34为代表的金属离子负载分子筛催化剂材料因其较宽的活性温度窗口和高水热稳定性受到研究者的广泛关注.Cu-SSZ-13分子筛催化剂已被BASF公司商业应用.相较Cu-SSZ-13,Cu-SAPO-34具有更优的低温活性与高温水热稳定性,且合成成本低廉.但Cu-SAPO-34的低温耐水性差,当采用传统的金属离子负载过程进行反复多次离子交换时,存在分子筛结晶度下降(部分骨架结构塌陷)的风险.使用铜四乙烯五胺络合物(Cu-TEPA)作为模板剂和铜源一步合成Cu-SAPO-34可以避免反复的离子交换过程,但由于Cu-TEPA的模板导向能力过强,Cu负载量难以控制,而降低Cu-TEPA的投料量则会损失产品收率.同时,该方法合成的Cu-SAPO-34中含有大量硅岛,分子筛催化剂的水热稳定性显著降低.针对这些问题,本文提出利用一步合成的高铜含量Cu-SAPO-34作为前驱体与铜源合成C...     

NH_4~+交换度对CuY催化剂上甲醇氧化羰基化反应性能的影响（英文）

碳酸二甲酯(DMC)是一种应用极其广泛的绿色化工产品,其中经济、绿色的甲醇氧化羰基化合成DMC工艺极具工业前景,而Y分子筛负载铜(CuY)是有效催化剂之一.众所周知,CuY催化剂上的Cu~(+)是催化活性中心.Cu~(+)催化活性中心的引入方式用两种:(1)CuCl直接与HY分子筛固相离子交换;(2)Cu~(2+)与NaY分子筛溶液离子交换,然后Cu~(2+)自还原生成活性中心Cu~(+).在无溶剂条件下制备CuY催化剂时,载体HY分子筛中的可交换位H+量是决定催化剂CuY氧化羰基化催化性能的关键因素.文献通过以不同硅铝比的HY分子筛为载体制备的催化剂CuY,研究铜离子可交换位H+量对氧化羰基化的影响,然而,硅铝比的不同也直接影响了分子筛骨架的组成、Si–O–Al的键角、甚至影响了Al~(3+)的分散度,这些因素都直接影响了CuY催化剂活性.因此,研究NaNH_4Y分子筛载体中的可交换位(NH_4~+)的量与CuY催化剂活性间的关系具有非常重要的意义.本文将NaY分子筛与不同浓度的NH_4NO_3溶液进行离子交换,制得具有不同NH+4交换度的NaNH_4Y分子筛,以其为载体,以具有易升华、易分解性质的乙酰丙酮铜Cu(acac)2为铜源,在无溶剂条件下,高温热处理二者固相混合物,NaNH_4Y分子筛中的NH_4~+与Cu(acac)_2中的Cu~(2+)发生了离子交换,Cu~(2+)进一步发生自还原生成活性中心Cu~(+),成功地制备了完全无氯的CuY催化剂,应用于催化常压甲醇氧化羰基化合成DMC过程,研究NaNH_4Y分子筛中的铜离子可交换位NH_4~+与催化剂CuY催化性能间的关系.通过各种表征及对CuY催化剂在甲醇氧化羰基化过程中催化活性分析发现,Y分子筛经过NH_4NO_3溶液离子交换及催化剂的制备过程,其八面沸石结构和孔道保持良好.以未经过离子交换的NaY负载的CuY催化剂上的铜物种完全以CuO形式存在,且没有催化活性.随着NH_4~+交换度增加,CuY催化剂表面CuO含量逐渐降低,而活性中心Cu~(+)含量逐渐增加,且其催化活性也随之增加.当NH_4~+交换度趋于极限值时,CuY催化剂中Cu~(+)含量达最大,其催化活性也达最佳,DMC的时空收率和选择性分别为267.3mg/(g·h)和68.5%,甲醇转化率为6.9%.因此,无溶剂条件下,以NaNH_4Y分子筛为载体,Cu(acac)_2为铜源,制备完全无氯CuY催化剂时,NH_4~+是形成Cu~(+)活性中心的必须条件,且NH_4~+交换度直接影响催化剂CuY的催化活性.     

Fe-Beta分子筛催化剂在选择催化还原氮氧化物反应中的活性:Fe含量的影响（英文）

NO_x是主要的大气污染物之一,对环境和人体健康具有极大的危害.其主要来源之一是柴油机尾气排放,V_2O_5-WO_3/Ti O_2催化剂是现阶段大规模商用的SCR催化剂,但V_2O_5-WO_3/Ti O_2催化剂相对较窄的温度窗口和V_2O_5的生物毒性使得迫切需要新型的环境友好的高效SCR催化剂,其中分子筛因其特殊的孔道结构和催化性能受到广泛的关注.用于SCR过程的分子筛主要包括ZSM-5,Beta,MOR,SAPO-34和SSZ-13等,通常采用Cu,Fe,Mn和Co等过渡金属对其进行改性,通过调变分子筛的表面酸性和氧化还原性能,提高催化剂的SCR活性.Beta分子筛具有三维12元环孔道结构,相对其它分子筛具有较好的水热稳定性,而且制备工艺成熟,价格低廉,因此该类分子筛催化剂在SCR过程中具有很好的应用前景.我们采用离子交换法制备了系列Fe-Beta催化剂,发现将相同质量硝酸铁溶解在不同体积去离子水中,配制成不同浓度的硝酸铁溶液后与分子筛进行离子交换反应,制备得到的Fe-Beta催化剂中Fe的含量和NH_3-SCR催化活性均存在显著差别.在此基础上,我们固定硝酸铁溶液浓度(0.02mol/L),通过增加溶液的体积,分别制备了Fe含量为(2.6,6.3和9)wt%的Fe-Beta分子筛.结果表明,Fe负载量为6.3 wt%时,Fe-Beta催化剂表现出最好的催化活性,NO_x转化率大于80%的温度窗口为202–616°C.虽然三个催化剂在比表面积,孔径和Fe的价态上没有明显的差别,但Fe含量为6.3 wt%的催化剂在保持相对较高的Fe负载量的同时具有更多的孤立Fe~(3+)物种,同时具有较好的NH_3和NO吸附性能以及NO氧化能力,这些特性使得该催化剂相对于其它两个催化剂表现出更高的NH_3-SCR催化活性.当Fe含量增加到9 wt%时,催化剂中FexOy纳米颗粒的含量大幅增加,使得NH_3非选择性氧化能力加强,从而导致高温NH_3-SCR反应活性大幅下降.     

Cu交换量对Cu-SAPO-34催化剂上NH_3选择性催化还原NO_x反应的影响

选用不同种类的铵盐和调变Cu2+离子交换时间制备不同铜交换量的Cu-SAPO-34催化剂。并考察了铜交换量对催化剂在氨选择性催化还原(NH3-SCR)NOx反应中的催化性能和高温水热稳定性的影响。结果表明,Cu2+是Cu-SAPO-34催化剂在NH3-SCR反应中的主要活性中心,随着Cu交换量的增加催化剂的低温SCR活性先升高后降低。铜交换量为2.37%时,Cu-SAPO-34催化剂的低温活性最好,NOx转化率在185℃时即可达到80.0%,且最高达98.7%。ICP、H2-TPR、FT-IR和NH3-TPD等表征结果显示,Cu引入不但产生了新的氨吸附位点,增加了Lewis酸量,而且略微降低了SAPO-34上氨的吸附强度。继续增加Cu交换量反而导致催化剂的SCR活性下降,这是由于大量的Cu2+取代了桥式羟基Si-OH-Al中的H,抑制了SCR反应中NH3在催化剂表面的吸附、储存与迁移。此外,较高Cu交换量也不利于改善Cu-SAPO-34的高温水热稳定性。     

Pt修饰和反应气氛对富铝Cu-Beta分子筛NH_3-SCR反应性能的影响

富铝Cu-Beta分子筛具有优异的低温NH_3-SCR性能,在汽车尾气脱硝中具有潜在的应用前景.我们考察了H_2O、CO_2、丙烯等气氛对富铝Cu-Beta分子筛NH_3-SCR反应性能的影响.发现H_2O会降低催化剂的低温活性,CO_2则提高低温活性,丙烯对中、低温活性均有明显抑制作用.固体13C核磁共振显示丙烯在分子筛上形成链状脂肪烃积碳,导致催化剂的活性降低.Pt修饰使丙烯存在下低温NH_3-SCR活性有所提高,但在中高温度下会催化NH_3氧化产生大量的N_2O和NO,从而降低了NO转化率.电子顺磁共振(EPR)和紫外-可见(UV-Vis)光谱研究表明,Pt的引入使部分孤立铜离子转化为簇状多聚态铜离子,会进一步加剧高温NH_3氧化反应的发生,进而降低了催化剂的活性.     

原位合成的Cu-SSZ-13催化剂：结晶时间对NH3-SCR性能的影响

通过一步法原位合成Cu-SSZ-13分子筛催化剂,考察了结晶反应时间对NH3选择性催化还原(NH3-SCR)催化性能的影响,利用H2程序升温还原(H2-TPR)、X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振光谱(EPR)和X射线电子能谱(XPS)等分析手段表征催化剂。结果表明,结晶时间不同会影响到Cu-SSZ-13分子筛中活性Cu物种的含量和分布,结晶时间为4 d时Cu-SSZ-13分子筛的NH3-SCR催化性能最佳。高温水热条件下,Cu-SSZ-13分子筛中不稳定的Cu~(2+)A物种会发生迁移而形成相对稳定的Cu~(2+)B物种;Cu~(2+)物种发生团聚而造成分子筛结构破坏,部分Cu~(2+)物种也因分子筛骨架坍塌而被包埋,这是导致催化活性下降的主要原因。     

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.     

不同分子筛负载锰铈催化剂的低温NH_3-SCR脱硝性能

分别以β、ZSM-5和USY分子筛为载体,采用浸渍法制备了锰铈催化剂,对其低温NH_3-SCR反应性能进行了评价,并采用XRD、BET、NH_3-TPD、H_2-TPR以及XPS对催化剂进行了表征。结果表明,三种分子筛负载的锰铈催化剂均具有较好的低温NH_3-SCR反应活性,其中,Mn-Ce/USY的催化性能最好,在107℃时NOx转化率可达到90%。负载锰铈后催化剂的比表面积和孔体积均有所下降;活性组分MnOx主要以无定型态分布于催化剂表面,且在ZSM-5上检测到聚集的CeO_2。催化剂表面弱酸对低温NH3-SCR反应起主要作用,催化剂表面上活性组分的表面浓度和氧化态明显不同,较高的Mn~(4+)/Mn~(3+)原子比和吸附氧表面浓度对提高催化剂的低温NH3-SCR反应活性有利。     

磷酸对二氧化铈催化剂氨选择性催化还原氮氧化物反应的促进作用(英文)

氮氧化物NO_x(NO和NO_2)对大气的污染日益严重,主要表现为形成酸雨、导致光化学烟雾和产生温室效应等,严重危害人类健康.氨气选择性催化还原(NH_3-SCR)NO_x是目前最有效的固定源NO_x消除技术.工业中常用的催化剂主要是V_2O_5-WO_3/TiO_2,但其活性组分V_2O_5有毒,且存在氧化能力较强和操作温度窗口过窄等缺点.开发新型环境友好的非钒基NH_3-SCR催化剂体系己成为NO_x催化净化领域的研究热点.CeO_2在稀土市场中占有很大比重且相对廉价,同时还具有优异的氧化-还原及储氧性能,因此开发Ce基SCR脱硝催化剂具有非常好的发展前景.对于NH_3-SCR反应,催化剂必须同时具有酸性位和氧化还原中心.酸性位有利于还原剂NH_3的吸附与活化,而氧化还原中心可以促使氧化剂和还原剂之间发生反应.对于低温SCR催化剂,表面酸性适中即可,氧化还原性能起决定作用;而对于中高温SCR催化剂,不仅要提高其表面酸性以保证足够的NH_3吸附量,同时还要控制其表面氧化性不宜太强,否则在高温段NH_3氧化,N_2选择性下降,NO转化率降低.CeO_2具有一定碱性以及优异的氧化还原性能,因此在高温阶段CeO_2催化剂上易发生NH_3深度氧化,高温NH_3-SCR活性差,温度窗口窄.为了拓宽CeO_2基催化剂的温度窗口,改善其催化性能,有必要调整CeO_2的氧化还原性能和酸碱性能.过渡金属磷酸盐或焦磷酸盐具有特殊的表面酸性和氧化还原性,被广泛应用于多种催化反应.考虑到过渡金属磷酸盐或焦磷酸盐表面同时具有酸性位和氧化还原中心,因而可用于NH_3-SCR反应.最近本课题组通过水热法制备了一种环境友好的Ce-P-O催化剂,该催化剂在较宽的温度范围(300-550℃)内表现出较高的催化NO转化能力,同时具有较强的抗碱和耐硫能力,显示出很好的应用前景.此外,硫酸盐和镍盐修饰能有效改善铈锆固溶体催化剂的NH_3-SCR性能:镍修饰增强了铈锆固溶体的Lewis酸性,有利于提高催化剂的低温活性,而硫酸盐改性提高了催化剂的Bronsted酸性,因此有利于催化剂高温下吸附NH_3,抑制了NH_3的过度氧化.另外,磷酸盐修饰能提高铈锆固溶体催化剂NH_3-SCR反应活性.然而,有关催化剂结构系统表征鲜见报道,催化剂的构效关系阐述不够详细.本文采用浸渍法将不同量的H_3PO_4负载于CeO_2上制备了H_3PO_4修饰的CeO_2催化剂,发现H_3PO_4修饰能显著改善CeO_2催化剂的NH_3-SCR性能.本文对催化剂结构进行了系统表征,详细探讨了H_3PO_4促进作用的原因.NH_3-SCR活性测试显示,H_3PO_4修饰后,催化剂活性显著提高,部分抑制了高温时CeO_2催化剂上NH_3的直接氧化,提高了SCR反应的选择性,从而拓宽了温度窗口.X射线衍射、红外光谱和拉曼光谱表征结果发现,随着H_3PO_4负载量增加,样品中CeO_2相逐渐减少,而新相如CeP_2O_7和Ce(PO_3)_4等逐渐增多,多磷酸根阴离子可能是表面酸性增强的关键因素.NH_3程序升温脱附和吸附吡啶红外光谱结果表明,随着H_3PO_4修饰量的增加,样品的酸强度逐渐增大,Lewis酸性逐渐减弱至消失,而Bronsted酸性逐渐增强.增强的Bronsted酸性可能归因于H_3PO_4修饰后样品表面不断增加的P-OH基团.相对于Lewis酸,Bronsted酸性位氧化能力更弱,可以抑制高温下NH_2(ads)继续脱氢,避免了NH_3深度氧化.程序升温还原测试结果表明,H_3PO_4修饰后,各还原峰向高温偏移,偏移量随H_3PO_4负载量增加而增加.这说明H_3PO_4修饰后CeO_2的氧化还原能力降低,抑制了高温下NH_3的过度氧化.因此,H_3PO_4的修饰使得CeO_2催化剂高温NH_3-SCR活性和N_2选择性大幅提高.综上所述,H_3PO_4-CeO_2样品优异的脱硝催化活性可能归因于H_3PO_4修饰后催化剂酸性,尤其是Bronsted酸性的增强以及氧化还原性的降低.     

SAPO-34分子筛载铜催化剂催化Ullmann偶联反应

以三乙胺为模板剂,通过水热合成法,改变不同硅铝比得到结晶度较好的SAPO-34分子筛.通过离子交换法和高压加氢的方法制得Cu-SAPO-34催化剂,并采用XRD、SEM、TEM、H2-TPR、XPS等方法对其结构进行了表征.结果表明,制备的催化剂形貌较规整,铜离子全部被还原为零价,还原后的铜纳米颗粒粒径较小且均匀分布在分子筛表面.将得到的Cu-SAPO-34催化剂应用于无配体情况下的沃尔曼偶联反应中,评价了其在Ullmann偶联反应中的催化性能,结果显示出Cu-SAPO-34在C—O键和C—N键的形成上展现了较高的催化活性.