氮氧化物 (NOx) 是当今大气环境中的主要污染物之一, 氨法选择性催化脱硝技术 (NH3-SCR) 是最有前景的烟气脱硝技术之一. 在众多的 NH3-SCR 催化剂中, 钛基催化剂由于其较好的热稳定性、抗硫性和环境友好性成为近年来研究的热点.本文以 SO42-离子作为晶面导向剂, 采用一步水热法合成了具有 (001) 高能晶面的 SO42--TiO2, 负载氧化铈后用于 SCR反应, 并以 Ce/P25 和 Ce/P25-S(浸渍法硫酸化) 作为参照对比. 研究发现, Ce/TiO2-001 更适合于中、高温 NH3-SCR 反应, 在290 ℃时 NO 转化率已达 99%, 并且在 290-480 ℃ 范围内均保持 99% 的脱硝效率.利用 X 射线衍射、N2吸附脱附、透射电子显微镜、X 射线光电子能谱 (XPS)、NH3/O2程序升温脱附 (TPD)、傅里叶原位红外光谱等技术研究了上述催化剂的表面物化性质与脱硝性能的关系. 相比于 Ce/P25 和 Ce/P25-S, Ce/TiO2-001 具有更高的比表面积 (107 m2/g), 形成了介孔 TiO2单晶, 且晶粒尺寸更小. XPS 和 NH3-TPD 结果表明, Ce/TiO2-001 表面具有丰富的酸性位. 硫酸化可以增加催化剂表面的 Br?nsted/Lewis 酸性位; 同时, (001)高能晶面有利于水分子的解离, 从而促进酸性位的产生. O2-TPD 表明, Ce/TiO2-001 催化剂表面存在大量化学吸附氧, 这与其一步合成中的硫酸化和 (001) 高能晶面密切相关, 而化学吸附氧在中高温 SCR 反应中起着重要的作用.通过原位红外分析可得, 不同催化剂表面所形成的 NOx吸附物种有所差异, 在 30 ℃ 时, Ce/P25 的 NOx吸附物种比较丰富, 存在气相 NO2、双齿硝酸盐、线性硝酸盐、单齿硝酸盐和桥式硝酸盐, 而 Ce/P25-S 和 Ce/TiO2-001 上的 NOx吸附物种则以单齿硝酸盐/亚硝酸盐为主. 随着温度的升高, 以上催化剂表面的 NOx吸附物种逐渐变为以气相 NO2和双齿硝酸盐为主. 但同种 NOx吸附物种 (气相 NO2、双齿硝酸盐) 在不同催化剂上的反应活性也有所不同, 在 250 ℃ 时, 其顺序为:Ce/TiO2-001 > Ce/P25-S > Ce/P25, 与脱硝性能相符. 由此可推测, 催化剂表面硫酸化和 (001) 高能晶面的存在有利于提高NOx中间产物的反应活性, 增加反应速率, 从而提高脱硝性能.综上所述, 硫酸化、高比表面积和 (001) 高能晶面是 Ce/TiO2-001 具有很好脱硝活性的重要原因. 硫酸化可以提供丰富的酸性位, 增强氨的吸附性能; 高比表面积不仅可以负载更多的活性组分, 而且有利于活性组分的均匀分散, 对降低活性中心的尺寸、防止活性组分烧结团聚有积极作用. 而 (001) 高能晶面则可以促进中、强酸和化学吸附氧的形成, 活化 NOx吸附物种, 从而提高 SCR 催化活性.
- 作 者：
- 文叶轩 曹爽 费晓琦 王海强 吴忠标 Yexuan Wen Shuang Cao Xiaoqi Fei Haiqiang Wang Zhongbiao Wu
- 作者单位：
- 浙江大学环境与资源学院污染环境修复与生态健康教育部重点实验室,浙江杭州310058;浙江省工业锅炉炉窑烟气污染控制工程技术研究中心,浙江杭州310027
- 刊 名：
- 催化学报 ISTIC EI SCI PKU
- 英文刊名：
- Chinese Journal of Catalysis
- 年，卷(期)：
- 2018 39(4)
- 基金项目：
- 国家重点研发计划，浙江省"151"人才计划，浙江省重点科技创新团队计划，长江学者奖励计划(教育部,2009).This work was supported by the National Key R & D Program of China，the Zhejiang Provincial "151" Talents Program,the Program for Zhejiang Leading Team of S & T Innovation，the Changjiang Scholar Incentive Program
