双金属Cu-Ce/SAPO-34催化剂的制备及其NH3-SCR脱硝性能研究

采用浸渍法制备了Cu-Ce双金属系列分子筛催化剂(Cu-Ce/SAPO-34),在催化剂评价装置上考察了不同质量比Cu/Ce的分子筛催化剂选择性催化还原NO的性能。通过XRD、SEM、NH₃-TPD、XPS、in-situ DRIFTS等多种表征手段对催化剂的结构及微观特性进行了分析。结果表明,改性后Cu-Ce/SAPO-34催化剂脱硝性能良好,具有较宽的活性温度窗口,当Cu、Ce的含量均为4%时,分子筛催化剂脱硝效率最好,在325-500℃脱硝效率均在80%,在400-500℃时,脱硝效率达到了99%以上。双金属Cu-Ce氧化物物种高度分散于催化剂表面,SAPO-34的晶体结构未受影响,且活性物质和载体之间产生较好的相互作用。4Cu-4Ce/SAPO-34具有适量的酸性位点,该配比对催化剂的脱硝性能和稳定性具有积极作用,在NH₃-SCR反应过程中遵循E-R机理。     

MnZSM-5催化剂上NH3-SCR反应机理的研究

通过密度泛函理论（DFT）对Mn/ZSM-5催化剂上NH3-SCR反应机理进行了理论研究。一种为气态NO直接参与反应的E-R机理,NO分子与[NH2]反应生成中间体[NH2NO],该反应路径的能垒为43.35 kcal/mol;另一种为吸附态NO参与反应的L-H机理,[NO]与[NH3]反应生成[NH2NO],该反应路径的能垒为44.73 kcal/mol。因两种机理的反应能垒相差不大,因此在一定温度下遵循两种机理的反应皆能进行。     

双金属Ce-Mn/ZSM-5催化剂的制备及NH3-SCR脱硝性能研究

采用浸渍法制备了铈锰复合氧化物分子筛催化剂(Ce-Mn/ZSM-5),在固定床反应器上考察不同Ce/Mn质量比对分子筛催化剂选择催化还原NO的影响,利用XRD、TEM、NH_3-TPD、H_2-TPR、in-situ DRIFTS等手段对催化剂进行了表征分析。结果表明,双金属改性的Ce-Mn/ZSM-5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Ce/Mn质量比为0.4时,催化剂具有最佳的脱硝效率,在265-465℃脱硝率均可达到80%以上,在370℃时,NO的转化率最高可达97.28%。锰和铈物种高度分散于催化剂表面,未改变ZSM-5的晶体结构,且构成协同作用。0.4Ce-Mn/ZSM-5具备丰富的酸性位、良好的氧化还原性能,该配比有助于催化剂的催化活性和稳定性的提高,在NH_3-SCR反应过程同时遵循E-R机理和L-H机理。     

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。     

预硫化处理对Ce-TiO2催化剂NH3-SCR反应活性影响及其反应机理研究

通过对Ce-TiO2催化剂进行SO2+O2气氛下的不同时间的预硫化处理并用于NH3-SCR反应,研究了Ce-TiO2催化剂物化特性随预硫化时间的演变规律,以及预硫化对中低温活性及NH3-SCR反应路径的影响。结果表明Ce-TiO2催化剂表面氧化铈的硫酸化相当迅速,在预硫化处理0.5h后,几乎所有的表面氧化铈都被硫酸盐化形成硫酸铈,随着硫酸化时间的增加到1h和1.5h,Ce-TiO2催化剂上沉积的硫缓慢增加。活性测试表明预硫化后的催化剂对SCR活性的抑制作用随着反应温度的提高而减弱,结合NO-DRIFT、NH3-DRIFT等多种原位表征,结果表明预硫化后低温NH3-SCR活性大幅降低是由于生成硫酸铈后催化剂氧化还原能力大幅削弱,E-R反应路径严重受阻。随着反应温度的升高,SCR活性逐渐不受硫酸铈沉积的影响,一方面,氧化还原性能的提高导致E-R反应路径逐渐恢复;另一方面,硫酸铈的生成促进了NO的活化,增强了L-H反应路径,两者共同导致了预硫化后较高的中温NH3-SCR活性。     

Pd/SAPO-34催化剂上CO低温氧化反应

 采用水热法合成了小晶粒的 SAPO-34, MnSAPO-34 和 CuSAPO-34 分子筛, 并以它们为载体采用浸渍法制备了一系列不同 Pd 含量的催化剂用于催化 CO 氧化反应. 结果表明: 分子筛载体、催化剂制备条件、反应条件、Pd 含量及预还原等对催化剂的活性影响较大. 催化剂活性随焙烧温度的增加而降低, 而随着反应温度的升高而提高, 担载在 SAPO-34 上 Pd 含量为 1.35% 时性能最佳. X射线衍射和透射电镜结果表明 Pd 物种高度分散于催化剂上, 粒子粒径在 2~8 nm; X射线光电子能谱及氢气程序升温还原结果表明, 高度分散的 Pd2+ 物种是 CO 氧化反应活性位. 随着反应进行被还原为 Pd0 物种, 因而导致催化剂活性下降. H2 预还原处理催化剂致使活性下降的实验结果也支持了这一结论.     

Mn/Ce改性菱铁矿催化剂在SCR脱硝反应中的特性研究

富含过渡元素的菱铁矿是用于制备选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂的理想材料。在本研究中,对菱铁矿掺杂了Mn和Ce,并研究了Mn-Ce共掺杂改性菱铁矿在NH₃-SCR反应中去除NO_x的活性。结果表明,经过450℃煅烧后菱铁矿的主要成分FeCO₃能够转化为Fe₂O₃。菱铁矿掺杂Mn和Ce后能够提高比表面积和表面酸度,降低硫酸铵盐在催化剂表面上的热稳定性。因此,Mn-Ce共掺杂改性菱铁矿催化剂表现出较高的SCR脱硝活性和抗硫性。3% Mn1% Ce-菱铁矿催化剂在脱硝效率高于90%的温度窗口能够拓宽至180-300℃,同时在引入SO₂ 7.5 h后该催化剂的脱硝效率仍高于75%。     

不同金属改性Ce-Mn/ZSM-5催化剂的制备及性能研究

采用浸渍法制备了一系列Y-Ce-Mn/ZSM-5催化剂(Y=Co、Cr、Cu、La、Zr)。结合NH_3-SCR反应脱硝活性测试的结果,获得各种催化剂的最佳活性温度窗口及最大脱硝效率。采用XRD、TEM、H_2-TPR、NH_3-TPD和in situ DRIFTS等技术对催化剂进行了表征。结果表明,除Cr之外,其他改性金属的最大脱硝效率均在98%以上,其中,Cu改性的Cu-Ce-Mn/ZSM-5显示出最佳的催化活性,在375℃转化率达到99.22%。原因在于表面金属氧化物种高度分散,起作用的表面弱酸酸位较多,还原性强的物种量较多。     

SAPO-34催化剂上甲醇制烯烃诱导期反应

甲醇制烯烃(MTO)是典型的自催化过程,包含诱导期反应.在诱导期反应中,甲醇转化生成的烃池物种在分子筛催化剂上积累,形成含有活性中心的烃池,从而进一步促进和加快更多烃池物种的生成.作为MTO反应的活性中间体,研究分子筛上烃池物种及其演变,对于理解MTO反应机理以及C1化学中第一个C-C键的生成具有重要意义.本文采用SAPO-34分子筛催化剂,对较低温度下流化床反应器中MTO诱导期反应进行研究,获得了诱导期反应的数据.通过HF溶解分子筛骨架的方法,检测各阶段存留在SAPO-34分子筛催化剂中的有机物种,分析了分子筛催化剂上烃池物种的积累和演变、烃池的形成以及烃池物种与催化剂失活之间的关系,并结合诱导期反应数据进一步讨论了MTO诱导期反应的动力学.研究发现,与ZSM-5分子筛类似,SAPO-34分子筛上的MTO诱导期反应对温度非常敏感.诱导期证实可分为三个反应阶段:初始反应阶段(最初C-C键生成阶段)、第二阶段(烃池物种的生成和积累阶段)及第三阶段(自催化反应阶段).这表明SAPO-34分子筛上MTO反应中烃池机理的重要性.然而,由于烃池物种和烃池机理的复杂性,在缺乏动力学研究的情况下,很难将诱导期反应三个阶段与反应机理进行明确的关联.因此,我们分别讨论了诱导期反应三个阶段的动力学,并计算了各阶段的表观活化能.动力学研究表明,与ZSM-5不同的是,在SAPO-34上的MTO诱导期反应中,初始反应阶段表观活化能较低,反应进行相对容易;而自催化反应阶段的活化能较高,反应进行相对困难.这主要是SAPO-34与ZSM-5分子筛的结构差异所致.SAPO-34分子筛因具有CHA结构而导致的扩散限制和空间约束,使得在第一阶段初始活性物种的生成和积累相对容易;但是在自催化反应阶段,不具活性的金刚烷类物质开始生成,并随着反应的进行在所有积碳物种所占的比例逐渐升高,导致其在自催化反应阶段(第三阶段)的活化能高于烃池物种的生成和积累阶段(第二阶段).对于HZSM-5催化剂上的MTO诱导期反应,由于MFI结构所产生的扩散限制和空间约束低于CHA结构,在第一阶段初始活性物种的积累相对困难,导致其初始阶段的表观活化能高于SAPO-34催化剂;但是随着反应的进行,活性物种在HZSM-5催化剂上不断积累,导致自催化反应阶段的进行相对比较容易.然而,对于SAPO-34分子筛上MTO诱导期反应,随着反应时间的推移,催化剂上积累的活性物种和非活性物种同时增多,而且由于SAPO-34结构特点而引起的扩散限制,大部分物种均保留在SAPO-34分子筛的笼中.分子筛中活性物种能提高反应活性,相应地,非活性物种则会抑制反应活性.因此,SAPO-34分子筛上甲醇转化诱导期反应活化能反映的是活性物种和非活性物种之间的竞争关系.     

整体式Mn-Fe/ZrO2-TiO2催化剂的制备及在低温NH3-SCR反应中的性能

以锆钛复合氧化物为载体, 制备整体式Mn基催化剂并研究其在低温氨选择性催化还原(NH3-SCR)氮氧化物反应中的性能; 用BET、XRD、储氧量(OSC)、程序升温还原(TPR)和XPS对催化剂进行表征. 实验结果表明, 与以TiO2为载体的催化剂相比, 以ZrO2-TiO2为载体的催化剂具有较大的比表面积、更稳定的晶相结构和较多的储氧量, 并具有较强的低温氧化性能和较高的表面Mn含量, 表现出良好的低温活性和高温稳定性. 在700 ℃焙烧后, Mn-Fe/ZrO2-TiO2在高空速55000 h-1条件下, 仍具有较好的起燃温度(182 ℃)和NO的转化率(78%), 并具有较强的抗水性能, 表现出很好的应用前景.     

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。     

Improvement of low-temperature catalytic activity over hierarchical Fe-Beta catalysts for selective catalytic reduction of NOx with NH3

Hierarchical Fe-Beta exhibited higher low-temperature NH₃-SCR activity than conventional Fe-Beta, due to more active sites and better dispersion of Fe species.     

低温燃烧法制备Mn-CeO_x催化剂及其NH_3-SCR脱硝性能

通过低温燃烧法(LCS)制备了不同金属硝酸盐与柠檬酸物质的量比的系列Mn-CeO_x(LCS)锰铈催化剂,将其与共沉淀法(CP)制备的Mn-CeO_x(CP)锰铈催化剂相对比,结合XRD、XPS、FESEM和H2-TPR等技术表征,对其NH_3-SCR脱硝催化性能进行了研究。结果表明,金属硝酸盐与柠檬酸的物质的量比是影响Mn-CeO_x(LCS)催化剂脱硝性能的重要因素。虽然两种催化剂中的锰氧化物组分均为无定型,但相较于Mn-CeO_x(CP),Mn-CeO_x(LCS)表面具有较高的锰含量与Oα/(Oα+Oβ)比,其脱硝催化性能也较高;同时,Mn-CeO_x(LCS)锰铈催化剂上有更多的多级孔,有利于气体在催化剂上的吸附和反应。硝酸盐与柠檬酸物质的量比为36∶22的Mn-CeO_x(LCS)锰铈催化剂在80-180℃下脱硝率可达75%-100%;即使通入SO2,180℃下的脱硝率仍可稳定于74%。     

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。     

整体式堇青石负载的Cu-SSZ-13分子筛催化剂的制备及其氨选择性催化还原脱硝性能

以聚乙烯醇（PVA）或拟薄水铝石（SB粉）为涂覆助剂，采用超声波辅助分散法将Cu-SSZ-13分子筛涂覆于蜂窝状堇青石（Cordierite）上，制备了整体式堇青石负载的Cu-SSZ-13分子筛催化剂（Cu-SSZ-13/Cordierite），用于氨选择性催化还原（NH₃-SCR）脱硝，并结合XRD、氮气吸附、SEM及H₂-TPR等表征手段，研究了涂覆助剂对该催化剂的Cu-SSZ-13涂层稳定性、NH₃-SCR脱硝活性、水热稳定性和抗SO₂毒化能力的影响。结果表明，以PVA为涂覆助剂制备的整体式Cu-SSZ-13（PVA）/Cordierite催化剂，其Cu-SSZ-13涂层稳定、脱落率低，选择性催化还原脱硝活性与Cu-SSZ-13原粉基本相当；同时，该Cu-SSZ-13（PVA）/Cordierite催化剂也具有较好的耐高温水热稳定性和抗硫中毒能力，在移动源和固定源脱硝方面有较好应用前景。     

用于NH3选择性催化还原NOx的钒基催化剂

在富氧且有催化剂存在条件下以NH3或尿素为还原剂选择性地还原NOx为N2的技术,即NH3/Urea-SCR技术,是去除固定源和移动源NOx最为有效且应用最广的技术之一,其中最重要的催化剂体系是钒基催化剂。本文从钒基催化剂的组成及其NH3-SCR反应性能、钒基催化剂的活性改进以及钒基催化剂上的NH3-SCR反应机理三个方面对该领域的研究进展做了较为全面的综述,并对NH3-SCR领域可能的发展方向做了展望。传统的V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂以及改性后的钒基催化剂在中温段具有优异的NOx净化效率和抗SO2中毒性能,其中高分散的V5+物种以及多聚的钒酸盐物种为NH3-SCR反应的活性中心。针对采用不同方法制备的或具有不同组成的钒基催化剂体系,多数学者认为NH3-SCR反应按照Eley-Rideal(E-R)机理进行,部分学者认为按照Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理进行,这可能与催化剂的钒负载量以及反应温度区间相关。在后续工作中研究者应结合多种测试手段,具体问题具体分析,综合考虑温度的动态影响以及表面酸碱性对反应物的吸附活化,以得出更为全面、真实的反应机理。系统了解前人在钒基NH3-SCR催化剂领域的研究进展有助于现阶段开发高效稳定、可适应复杂工作条件的钒基SCR催化转化器,同时也对设计合成新型高效、环境友好且抗中毒的非钒基SCR催化剂体系具有一定的参考价值。     

金属负载型分子筛催化剂在NH3-SCR反应中水热稳定性的研究进展

NO_x控制是目前大气污染控制领域的重要研究内容，NH₃选择性催化还原技术（NH₃-SCR）是消除NO_x最有效的技术之一，其核心是高性能催化剂的开发。本研究综述了金属负载型分子筛催化剂（Cu基和Fe基分子筛催化剂）的NH₃-SCR活性、水热稳定性以及水热老化失活机制，并对影响催化剂水热稳定性的因素（包括Si/Al比、分子筛拓扑结构、活性金属负载量、粒径和合成方法等）进行了系统阐述，总结了一些有效提高催化剂水热稳定性的改性方法，比如磷改性、第二活性金属改性、碱金属改性和外表面改性等。最后，对进一步提高金属负载型分子筛催化剂在NH₃-SCR反应中的水热稳定性进行了展望。