新型铁钛复合氧化物催化剂上NH3选择性催化还原NO研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘福东 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺泓 |
| 关键词 | 选择性催化还原 铁钛复合氧化物催化剂 微晶 反应机理 低温活性 selective catalytic reduction iron titanate catalyst crystallite reaction mechanism low temperature activity. |
| 其他题名 | Novel Iron Titanate Catalyst for the Selective Catalytic Reduction of NO with NH3 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 以NH3 为还原剂在催化剂的作用下选择性还原NO 生成无毒无害的N2 和 H2O，即NH3-SCR 技术，是去除固定源NOx 和移动源NOx 应用最广且最为有效 的技术之一。目前应用最多的NH3-SCR 催化剂体系是V2O5-WO3 (MoO3)/TiO2， 虽然已经工业应用多年，但仍存在着操作温度高、活性温度窗口窄、高温时N2O 大量生成以及活性组分V2O5 具有生物毒性等问题，因此开发高效稳定、环境友 好的新型NH3-SCR 催化剂体系成为众多科学工作者研究的热点。 本论文通过简单易行的共沉淀法制备出了新型铁钛复合氧化物(FeTiOx)催化 剂，在较宽的中温范围内(200-400 oC)具有高的NH3-SCR 活性、N2 生成选择性以 及抗H2O/SO2 中毒性能。采用N2 物理吸附、粉末X 射线衍射(PXRD)、紫外可见 漫反射吸收光谱(UV-vis DRS)、拉曼光谱以及X 射线吸收精细结构谱(XAFS)等 方法详细解析了FeTiOx 催化剂的特殊微观结构，并采用X 射线光电子能谱(XPS) 和H2 程序升温还原(H2-TPR)等手段研究了催化剂表面化学组成及其氧化还原性 质。结果表明，以Ti(SO4)2 为前驱体在较低焙烧温度下(400-500 oC)制备的FeTiOx 催化剂其活性相为铁钛复合氧化物微晶，Fe3+物种和Ti4+物种以边氧共享的紧密 方式相结合(Fe3+-(O)2-Ti4+)，Fe3+和Ti4+之间存在的电子诱导效应使得Fe3+物种低 温吸附和氧化NO 能力增强，从而有利于其低温NH3-SCR 活性的提高。 在低于200 oC 的低温段，FeTiOx 催化剂表面上的主要反应活性物种为离子 态的NH4 +和单齿硝酸盐，SCR 反应遵循着Langmuir-Hinshelwood (L-H)机理，在 此过程中NO在Fe3+位点上吸附并氧化生成单齿硝酸盐的过程为反应速率控制步 骤。在高于200 oC 的高温段，FeTiOx 催化剂表面上的主要反应活性物种为NH2， 可以与气相或弱吸附的NO 反应，SCR 反应遵循着Eley-Rideal (E-R)机理，在此 过程中NH2NO 中间体的生成为反应速率控制步骤。通过调变FeTiOx 催化剂中的 Fe:Ti 摩尔比，详细考察了FeTiOx 催化剂在NH3-SCR 反应中的构效关系：Fe:Ti 摩尔比为1:1 时，FeTiOx 催化剂中具有最为丰富的Fe3+-(O)2-Ti4+结构，从而使其 具有最高的NOx 转化本征活性；提高FeTiOx 催化剂低温活性的关键是促进低温 时NOx 以单齿硝酸盐的形式吸附在Fe3+-(O)2-Ti4+结构中的Fe3+位点上。 在硫化后的FeTiOx 催化剂上，硫酸盐物种主要以螯合双齿构型吸附在Fe 位点上，催化剂表面的Brønsted 酸性和Lewis 酸强度同时增强，导致催化剂在高温 段具有更强的NH3 吸附能力，E-R 反应路径可以顺利进行，高温段活性有所上升； 而硫酸盐的形成强烈抑制了活性硝酸盐物种的形成，切断了低温段的L-H 反应 路径，从而引起低温段SCR 活性的下降。在实际应用中，FeTiOx 催化剂适合应 用于不含SO2 的气氛或SCR 反应温度高于250 oC 的烟气脱硝过程。 使用过渡金属Mn 对FeTiOx 催化剂中的活性组分Fe 进行部分取代可以有效 提高催化剂的低温NH3-SCR 活性。Fe:Mn 摩尔比为1:1 的Fe0.5Mn0.5TiOx 催化剂 因具有最大的比表面积和孔容、最大的结构扭曲度和合适的结构无序度、最强的 晶格氧流动性、合适的Brønsted 酸性和Lewis 酸性以及增强了的单齿硝酸盐吸附 性能而具有最优的低温SCR 活性。Mn 取代后的FeTiOx 催化剂上低温SCR 反应 仍按L-H 机理进行，表面NH4NO3 为重要的活性反应中间体，且其被NO 还原生 成NH4NO2 的过程为反应速率控制步骤。由于H2O 对NH3 和NOx 吸附的影响是 轻微且可逆的，因此H2O 对该催化剂上SCR 活性的影响也是轻微且可逆的；而 SO2 虽然可以大大促进NH3 的吸附，却强烈抑制了NOx 的吸附，因而SO2 的存 在会使得该催化剂发生严重且不可逆的中毒。Mn 取代后的FeTiOx 催化剂有望应 用于燃煤电厂除尘和深度脱硫之后的低温烟气脱硝净化过程。 |
| 学科主题 | 环境化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-04-11 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/554]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_大气环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘福东. 新型铁钛复合氧化物催化剂上NH3选择性催化还原NO研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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