黄秀兵, 王鹏, 陶进长, 席作帅

CeO2修饰Mn-Fe-O复合材料及其NH3-SCR脱硝催化性能

黄秀兵1, 王鹏1, 陶进长2, 席作帅1

(1. 北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京 100083; 2. 广东省稀土开发及应用研究重点实验室, 广州 510310)

氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术需要进一步研发在相对较低温度(<300 ℃)下具有良好催化活性、高稳定性及环境友好的脱硝催化材料。本工作采用草酸共沉淀法制备Mn-Fe-O催化材料, 并对其进行不同含量CeO2修饰, 用于低温NH3-SCR脱硝催化反应。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附–脱附、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原或脱附(H2-TPR、NH3-TPD)等手段对催化剂进行了表征。催化结果表明, 在相同反应条件下适量CeO2修饰后的Mn-Fe-O样品比纯Mn-Fe-O表现出更优异的NH3-SCR脱硝催化性能, 在80 ℃时NO转化率在95%以上, 且具有较高的N2选择性。CeO2修饰提高了Mn-Fe-O氧化物表面的Fe3+、Mn3+和Mn4+含量及表面酸性位点数量, 从而有助于NH3的吸附及催化反应的进行, 并且Fe2+/Fe3+、Mn2+/Mn3+/Mn4+以及Ce3+/Ce4+电子对之间的相互氧化还原反应提高了催化剂的氧化还原能力及稳定性。

二氧化铈; 修饰; 铁锰氧化物; 脱硝

在众多大气污染物中, NO的减排对缓解酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏等有重要作用。NO控制技术包括氨选择性催化还原(NH3-SCR)、选择性非催化还原(SNCR)、活性炭吸附等。其中, NH3-SCR因其净化效率高(90%以上)、工艺设备较为紧凑、运行可靠等优点, 在脱硝领域得到了青睐[1]。目前, NH3-SCR技术主要使用的催化剂是以V2O5为主要活性组分, WO3或MoO3为助催化剂, TiO2为载体的体系, 在300~450 ℃具有良好的催化效果, 但仍需克服V2O5的生物毒性、操作温度高、催化剂使用寿命低等问题[2]。因此, 在相对较低温度(<300 ℃)下具有良好催化活性、高稳定性及环境友好的脱硝催化材料引起了广泛关注[3]。

近年来, 锰基催化剂因其多重价态及强氧化还原能力, 表现出出色的低温脱硝活性[4]。You等[5]报道了具有优异低温NH3-SCR性能的MnO-CeO2/石墨烯复合催化材料, 同时还发现该催化材料由于含有较多的高价锰、表面吸附氧及MnO-CeO2与石墨烯之间强的相互作用力, 从而具有良好的耐H2O和耐SO2性能。与此同时, 广泛报道的还有不同金属(如铁、铈、钴、钛、镁等)掺杂或修饰的MnO催化剂[6-10]。引入的金属元素改善了催化剂表面氧化还原性能, 提高了催化剂表面酸性, 最终改变了MnO催化剂的脱硝性能和稳定性等。铁基催化剂由于具有优异的氧化还原性能, 良好的Fe3+/Fe2+切换能力以及廉价、环保等特性, 得到了广泛研究[11-13], 但是其表面酸性比较弱, 因此人们经常将一些酸性物质(例如WO3)负载到Fe2O3表面以提高其NH3–SCR脱硝催化性能及抗水抗硫性[14-15]。……