Ce4+, Zr4+共掺杂提高V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能及抗K中毒能力

• Published in: 催化学报 Vol. 40; no. 1; pp. 114 - 123
• Main Authors: 曹俊, 姚小江, 杨复沫, 陈丽, 傅敏, 汤常金, 董林
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 重庆工商大学环境与资源学院, 重庆市催化与环境新材料重点实验室, 重庆400067 2019; 中国科学院重庆绿色智能技术研究院大气环境研究中心, 重庆400714%中国科学院重庆绿色智能技术研究院大气环境研究中心,重庆,400714%四川大学建筑与环境学院, 烟气脱硫国家工程研究中心, 四川成都610065%重庆工商大学环境与资源学院, 重庆市催化与环境新材料重点实验室, 重庆400067%南京大学现代分析中心, 江苏省机动车尾气控制重点实验室, 江苏南京210093
• Subjects: 反应机理; 共掺杂; Reaction mechanism; V2O5-WO3/TiO2-CeO2-ZrO2催化剂; V2O5‐WO3/TiO2‐CeO2‐ZrO2 catalyst; 钾中毒; 氨-选择性催化还原; K‐poisoning; Co‐doping; NH3‐SCR
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872‐2067(18)63184‐5

近年来, NOx的排放造成了严重的环境污染. 氨选择性催化还原技术(NH3-SCR)是目前消除NOx最有效的手段之一. V2O5-WO3/TiO2催化剂在300–400 °C范围内表现出优异的脱硝性能, 因此被广泛用于NH3-SCR反应. 然而该催化剂抗碱(土)金属中毒性能较差, 且碱(土)金属碱性越强对催化剂的毒害越大(即K > Na > Ca > Mg). 已有研究显示, 当K2O质量分数达1%时, 催化剂将完全失活, 所以对传统的V2O5-WO3/TiO2催化剂进行改性以提高其抗K中毒性能具有十分重要的意义.最近, CeO2由于具有优异的氧化还原性能和储/释氧能力, 在NH3-SCR反应得到了广泛的关注. 研究显示, CeO2的改性可提高钒基催化剂脱硝活性及抗碱金属中毒性能, 这主要是由于CeO2的掺杂可以有效提高催化剂表面酸性及氧化还原能力. ZrO2是一种酸碱两性氧化物, 常被用作载体或者助剂. 研究显示, ZrO2的引入可以提高催化剂热稳定性, 增大比表面积以及提高氧迁移能力. 基于此, 我们制备了一系列的V2O5-WO3/TiO2-ZrO2, V2O5-WO3/TiO2-CeO2以及V2O5-WO3/TiO2-CeO2-ZrO2催化剂, 以期提高V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能及抗K中毒能力.研究发现, Ce4+, Zr4+共掺杂可以有效提高V2O5-WO3/TiO2催化活性, 拓宽反应温度窗口, 增强抗K中毒能力. 进一步借助X射线衍射、比表面积测定、氨气-程序升温脱附、氢气-程序升温还原和X射线光电子能谱等表征对催化剂进行全面分析. 结果显示, Ce4+, Zr4+共掺杂对V2O5-WO3/TiO2催化剂物理化学性质的影响与其脱硝性能及抗K中毒能力有着密不可分的关系. 首先, Ce4+, Zr4+可以掺杂进入TiO2晶格, 抑制TiO2晶粒的生长, 从而导致比表面积以及总孔体积的增加; 比表面积的增加有利于活性物种的分散, 而总孔体积的增加有利于反应物分子与催化剂充分接触. 其次, Ce4+, Zr4+共掺杂可以提高催化剂表面酸性和氧化还原性能, 表面酸性的增加有利于催化剂吸附与活化反应物种NH3, 氧化还原性能的提高有利于NO氧化为NO2, 进而通过"快速NH3-SCR"反应提高催化剂活性; 同时, Ce4+, Zr4+共掺杂还可以有效降低K中毒对表面酸性和氧化还原性能的影响, 这主要