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。     

Pt-BaO催化剂的NOx储存-还原化学及结构-性能关系

NOx储存-还原(NSR)技术是目前稀燃汽车尾气中NOx消除的最有前景的催化技术之一,NSR催化过程中稀燃/富燃条件的交替运行、NSR催化剂上化学计量反应与催化反应的耦合赋予了NSR催化过程迥异于常规连续流动气固相催化反应的特点.本文首先介绍了目前人们对Pt-BaO催化剂上NSR基本化学过程的认识;在此基础上,结合本研...     

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。     

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%.     

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.     

金属-ZSM-5/堇青石整体式催化剂上稀燃汽车尾气的净化

 在原位合成的ZSM-5/堇青石整体式样品基础上制备了几种金属(Cu, In或Ag)改性的ZSM-5/堇青石催化剂,并将其应用于稀燃发动机尾气的净化. 结果表明, Cu-ZSM-5/堇青石催化性能最好,尾气中的三种主要污染物NOx, CO和HC可以同时得到净化. 用微量(0.02%)贵金属(Pd, Rh或Ir)对Cu-ZSM-5/堇青石进一步改性,所得催化剂对CO的净化能力大大增强,保持高NOx转化率的温度窗口也大大加宽,因而该催化剂在稀燃汽车尾气净化方面具有潜在的应用前景. 微量贵金属对Cu-ZSM-5/堇青石催化剂的改性作用也在文中进行了讨论.     

Cu掺杂对Pt/Ba/CuxMg1-xAl2O4催化剂高温稀燃NOx消除性能的影响

制备了一系列不同Cu掺杂量的Pt/Ba/Cu_xMg_1-xAl₂O₄(x=0, 0.1, 0.3)催化剂, 将其应用于高温NO_x储存还原(NSR)反应, 并探究了Cu掺杂量对催化剂NO_x消除性能的影响. 结果表明, 储存组分BaCO₃在NSR过程中存在再分散现象. 高温时催化剂的NO_x消除性能取决于其NO_x储存量, 而不是NO氧化和NO_x还原性能. 高温时催化剂的NO_x储存量与其上硝酸盐的热稳定性密切相关, Pt/Ba/MgAl₂O₄上NO_x主要以离子态硝酸盐形式存在, 而掺杂Cu后催化剂上的NO_x又增加了单齿硝酸盐的存在形式, 单齿硝酸盐具有更高的热稳定性, 因此掺Cu催化剂具有更大的NO_x储存量. 在450~500 ℃范围内, Cu的掺杂显著提高了Pt/Ba/MgAl₂O₄的NO_x消除性能; Pt/Ba/Cu_0.1Mg_0.9Al₂O₄催化剂的性能最佳, 450 ℃时的NO_x消除效率高达90%.     

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。     

Theoretical and experimental study on formation and adsorption of enolic species on Ag-Pd/Al2O3 catalyst

The formation and adsorption of enolic species on a palladium promoted Ag/Al2O3 catalyst (denoted Ag-Pd/Al2O3) during the selective catalytic reduction (SCR) of NOx by C3H6 has been studied by means of DRIFTS and density functional calculations. The structure of the enolic species adsorbed on Ag-Pd/Al2O3 catalyst has been established based on the in situ DRIFTS spectra and simulated results. The reaction mechanism from C3H6 to enolic species on Ag-Pd/Al2O3 catalyst was proposed and the hypothesis about the Pd promotion was discussed.     

氢气对Ag/Al2O3和Cu/Al2O3催化剂选择性催化C3H6还原Nox反应的影响

 添加H2对Ag/Al2O3和Cu/Al2O3催化剂选择性催化C3H6还原NOx反应具有不同的影响. 原位漫反射红外光谱分析表明,在Ag/Al2O3催化剂上, H2的存在促进了C3H6部分氧化产物烯醇式物种(RCH=CH-O-)和乙酸盐等的形成,烯醇式物种和硝酸盐为主要反应中间体,二者间的相互反应性能很强,能形成高浓度的反应关键中间体异氰酸酯(-NCO)表面吸附物种,因此NOx的去除活性提高; 而在Cu/Al2O3催化剂上, H2的存在并没有促进C3H6部分氧化产物的形成,而且抑制了硝酸盐的形成,进而抑制了C3H6部分氧化产物与硝酸盐反应形成表面-NCO 物种,导致NOx的去除活性降低.     

Pd基催化剂上H2快速选择催化还原 NOx

 首次研究了 Pd 基催化剂上氢快速选择催化还原 NOx 反应 (快速 H2-SCR 反应). 结果表明, Pd/Al2O3 和 Pd/SiO2 催化剂表现出极高的活性, 在 200 oC 以上时 NOx 转化率可达 100%; 但 Pd/MgO 催化剂在整个考察温度范围均没有活性, 这表明载体对催化剂快速 H2-SCR 活性有决定性作用. 与常规 H2-SCR 反应相比, 快速 H2-SCR 反应明显提高了 NOx 的消除效率. 原位漫反射红外光谱结果表明, 快速 H2-SCR 反应活性的提高来源于加速生成的氨物种以及后续反应速率的加快.     

Sm掺杂对Fe2O3催化剂NH3-SCR反应活性及抗水抗硫性作用

氮氧化物(NO_x)是主要的环境污染物之一,会造成酸雨、光化学烟雾和温室效应等环境问题.氨选择性催化还原(NH₃-SCR)技术是目前控制NO_x排放的最有效技术.其中,Fe₂O₃催化剂因其良好的抗硫性和低廉的成本而受到广泛关注,有望用作NO_x消除催化剂,但是它的低温还原性差、脱硝效率低等缺点限制了其应用.近期研究表明,钐掺杂金属氧化物可以调节其表面酸碱性及氧化还原性,可有效提高氧化物催化剂的脱硝效率和抗水抗硫性能.因此,将铁、钐二者优势结合,为合成一种低温、高效、环境友好型脱硝催化剂提供了可能.本文通过柠檬酸辅助的溶胶凝胶法合成了一系列钐均匀掺杂入Fe₂O₃纳米颗粒的复合氧化物脱硝催化剂,采用X射线光电子能谱(XPS),氢气程序升温还原(H2-TPR),氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)以及原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)等方法研究了钐的掺杂对铁基催化剂脱硝效率和抗水抗硫性的影响,旨在揭示催化剂表面物理化学性质和催化活性之间的关系.通过活性测试发现,钐的掺杂可以使Fe_0.94Sm_0.06O_x催化剂在175?325℃时实现>95%的脱硝效率和>93%的N2选择性.动力学测试研究表明,当基于催化剂的比表面积计算时,Fe_0.94Sm_0.06O_x催化剂的脱硝效率是纯Fe₂O₃催化剂的11倍;基于质量计算时则为37倍.此外,250℃时抗水抗硫测试结果显示,Fe_0.94Sm_0.06O_x催化剂可以在通入200×10^-6SO₂+5 vol%H₂O,空速为90000 h^-1时脱硝效率保持83%达168小时,并且在切断H₂O和SO₂后,该催化剂的脱硝效率可以很快完全恢复.XPS和H2-TPR结果表明,钐的掺杂使Fe_0.94Sm_0.06O_x催化剂的表面产生了大量的表面吸附氧,从而促进了NO的氧化以及快速NH₃-SCR反应的进行.NH₃-TPD与原位DRIFTS结果表明,钐的掺杂增强了催化剂的表面酸性,有效地提高了NH₃的吸附和活化能力,进而提高了催化剂的脱硝效率.另外,钐的掺杂还可以促使NH₄HSO₄在Fe_0.94Sm_0.06O_x催化剂表面较低温度下的分解,从而使催化剂具有很好的抗水抗硫性能.     

Adsorption/desorption studies of NOx on well-mixed oxides derived from Co-Mg/Al Hydrotalcite-like compounds

CoxMg3-x/Al hydrotalcite-like compounds (where x=0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0) were synthesized by the coprecipitation method and characterized by the XRD and TGA techniques. Incorporation of Co for x=0.0-3.0 gradually decreased the transformation temperature of the hydrotalcites to the corresponding oxides from 444 to 246 degrees C and also decreased the surface area from 162.7 to 21.6 m2/g upon calcination at 800 degrees C for 4 h in air. The resultant oxide was generally composed of a poor MgO phase and a spinel phase, with more spinel phase at higher Co incorporation. The derived oxides were tested as the storage/reduction catalysts for NOx adsorption/desorption. The storage capacity for NOx was highly dependent on the catalyst composition and storage temperature. In general, more NOx was stored at lower temperature (100 degrees C) than that at higher temperature (300 degrees C), and tertiary catalysts (x=0.5-2.5) stored more NOx than binary catalyst (x=0.0 or 3.0). The catalytic conversion of NO to NO2 and the catalytic decomposition of NOx were observed on the tertiary catalysts during NOx adsorption at 300 degrees C, which was highly related to the loading of cobalt. The reducibility of catalysts was determined by TPR experiments, and the reduction of cobalt cations started at 150-200 degrees C in H2. In situ IR spectra of catalysts adsorbing NOx revealed that the major NOx species formed on the catalysts were various kinds of nitrites and nitrates, together with some forms of dimers, such as N2O2(2-) and N2O4 (or NO+NO3-). The storage/reduction mechanism and the function of Co in the mixed oxides are proposed and discussed on the basis of these observations.     

Pd/Mg(Al)O催化剂上NOx的储存-还原

采用共沉淀-浸渍法制备了催化剂Pd/Mg(Al)O,并用XRD、TPD等手段进行了表征。考察了催化剂的NOx储存 还原性能。结果表明,NO在Pd/Mg(Al)O上的主要储存途径是Pd促进NO氧化生成NO2,NO2与Mg(Al)O作用成盐,放出NO;Pd对NO2吸附成盐影响不大。NO在Pd/Mg(Al)O上吸附储存的适宜温度为350℃。350℃下Pd/Mg(Al)O催化剂经15次储存 还原（以H2为还原剂）,NOx储存量变化不超过8％,维持在300μmol·g－1以上,N2选择性维持在94％以上。     

负载型Cu/Al2O3和Cu/ZnO催化剂上CO2加氢的原位FTIR及准原位XPS/HS-LEIS研究

铜基催化剂是工业合成甲醇中常用的催化剂,其主要包含Cu,ZnO,Al2O3三种组分,研究各组分在催化合成甲醇过程中的本质作用及其相互间的协同作用不仅是一个催化基础科学问题,同时对于设计和合成新型高性能的铜基催化剂也有重要指导作用.以往的研究主要针对Cu和ZnO二元组分,关于Al2O3的作用很少有报道,主要观点认为Al2...     

纳米-微米铁修饰的维氏体氨合成催化剂

我们以商业预还原的维氏体(Fe1-xO)氨合成催化剂为载体,采用Fe(NO)3 ·9H2O和H2C2O4·2H2O进行原位室温固相反应制备纳米铁或微米铁修饰的铁基氨合成催化剂,并通过XRD、SEM、TG-DTG、H2-TPR等进行了表征.结果表明:Fe(NO)3·9H2O和H2C2O4·2H2O室温固相反应完全生成产物Fe2(C2O4)3·5H2O,且产物分散于载体维氏体催化剂表面.通过纳米铁-微米铁的修饰,催化剂的氨合成活性有很大提高且稳定性好.催化剂活性随着Fe负载量的增加先增加后降低,负载量5％时催化活性最好,反应器出口氨浓由450℃(12.4％)、425℃(11.0％)、400℃(9.4％)分别提升至450℃(15.6％)、425℃(14.8％)、400℃(13％).通过一步简单的修饰,维氏体催化剂的氨合成活性提高约25％ ～38％.由于焙烧和还原,生成的Fe1xO或铁粒子与铁催化剂表面发生强相互作用,因此,反应过程中纳米铁或微米铁粒子能稳定存在,催化剂有较高的稳定性.     

V2O5-WO3/TiO2-ZrO2脱硝催化剂中 ZrO2和 WO3的促进作用：催化性能、形态及反应机理

商业选择性催化还原(SCR)催化剂成分主要有 V2O5, WO3和 TiO2,但适用温度窗口较窄(300?400℃),使得实际操作过程中活性较低.目前,过渡金属广泛应用于催化剂制备中以提高其催化活性.相比于纯 TiO2和 ZrO2载体, TiO2-ZrO2具有较高的热稳定性以及较多的酸位,虽然有关 TiO2-ZrO2为载体的催化剂研究较多,但未与商业催化剂进行对比研究.而针对 NH3-SCR脱硝机理的实验研究也存在一些争议,主要原因归为以下两方面：(1)多数催化剂不同会直接导致催化剂的活性酸位不同;(2)不同 NH3-SCR脱硝催化剂的起活温度不同.同时, NH3和 NO在反应温度的吸附情况仍需要进一步研究.因此,有必要深入探究 NH3-SCR脱硝机理,以解决现行研究中存在的问题.本文首先采用共沉淀法制备摩尔比为1：1的 TiO2-ZrO2固溶体,并分步浸渍不同质量比的 WO3和1%V2O5,最终得到一系列1%V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2.然后通过 X射线衍射(XRD)和比表面积测试(BET)、程序升温还原(TPR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)研究了 WO3和 ZrO2对催化性能的影响以及 V2O5-WO3/TiO2-ZrO2催化剂的反应机理. N2物理吸附结果表明, WO3的添加使得催化剂孔结构的热稳定性有所提高,同时随着 WO3含量增加催化剂的比表面积逐渐减小,但仍高于 V2O5/TiO2-ZrO2催化剂; ZrO2对催化剂比表面积增大效果比较明显.结合 XRD结果表明, WO3能促进金属氧化物在载体上的分散;相比于 V2O5-WO3/TiO2催化剂, ZrO2有利于活性组分的分散负载.比较系列 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2的氨吸附情况,发现 WO3的添加增加了 Br?nsted酸的稳定性,其中以9%WO3的效果最显著.催化剂氨吸附中间物种(–NH2)的发现,证实了 WO3添加促进了 NH3的活化,有利于脱硝反应的进行. SCR反应结果显示, V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂在300–450oC时 NOx转化效率最优,并发现 O2的存在促进了 NOx的转化.采用in situ DRIFTS研究了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂脱硝机理,300和350oC时 NH3, NO, NO + O2吸附情况表明,在真实的反应温度下,脱硝过程中的活性中心为 Lewis酸中心, Br?nsted酸中心的 NH4+极易从催化剂表面脱附,无法吸附在催化剂表面,且与 NH3相比, NO只能以 NO2的形式弱吸附在催化剂表面.因此,该催化剂遵循 Eley-Ridel脱硝机理.而 V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2催化剂具有相对较高的脱硝效率,因此用来着重研究 NH3-SCR机理.在 NH3吸附过程中, NH3(1204,1602,3156,3264,3347 cm?1)和活性中产物 NH2(1550 cm?1)在催化剂表面的吸附(恒温300oC)是稳定的;随后通入 NO + O2时, NH3吸附过程中的所有吸收峰(包括 NH2)均逐渐减小(NH3吸附态与 NO结合后分解为 N2和 H2O),同时出现 H2O的振动峰,这证明了 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂的脱硝反应过程.各类气体吸附情况表明, NO在商业催化剂的吸附状态与 V2O5-x%WO3/TiO2-ZrO2催化剂相同;但 NH3吸附结果表明, Br?nsted酸中心和 Lewis酸中心都是催化剂的活性中心; NO + O2的通入使得催化剂表面的 NH3和 NH4+都逐渐消失.这两种催化剂脱硝反应过程差异主要在于催化剂表面活性中心的不同,导致了不同的 NOx脱除路径.通过in situ DRIFTS比较 O2的存在对脱硝反应产生的不同影响来确定 O2的作用.两类催化剂上 O2均参与了 H2O的形成,促进了催化反应的完成;当 O2不存在时, NO的还原受到了极大地抑制,同时也未出现 H2O;两者的脱硝效率大大降低. H2-TPR和 NH3-TPR结果进一步证实 O2的作用主要是氧化 NO及参与催化过程 H2O的形成.     

性能优异的Rh改性的Pd/Al2O3密偶催化剂

采用等体积浸渍法制备了Pd/Al2O3和Rh-Pd/Al2O3密偶催化剂,运用H2程序升温还原、CO化学吸附和X射线光电子能谱等手段对催化剂进行了表征,并考察了催化剂对丙烷总包反应和单反应的转化活性.总包反应结果表明, Rh的添加使起燃温度和完全转化温度分别降低了23和18oC.单反应结果证明,添加Rh能提高各单反应丙烷的转化活性,尤其是有NO参与的反应.表征结果证明,掺杂Rh不仅可以抑制活性组分PdOx的烧结,提高PdOx的分散度,而且可以改变其电子状态.