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石河子大学化学化工学院于锋教授课题组:超低比表面积“冰壶催化剂”用于低温NH3-SCR脱硝

已有 181 次阅读 2021-7-18 06:07 |个人分类:精选文章|系统分类:论文交流

石河子大学化学化工学院于锋教授课题组超低比表面积“冰壶催化剂”用于低温NH3-SCR脱硝

 

文章导读

负载型催化剂广泛应用于工业催化中的多相催化反应。其中,催化剂载体作为活性组分的骨架,通常会选择孔道发达、比表面积较大的多孔材料,特别是分子筛等。优异的催化剂载体不仅可以支撑活性组分,而且还可以使活性组分充分分散,获得更多的活性位点,提高催化剂的反应活性。

近日,石河子大学化学化工学院于锋教授课题组“反其道而行之”,采用超低比表面积(小于5 m2/g)的天然矿物蛭石(VMT)作为催化剂载体,制备了一种“冰壶催化剂”(图1),用于低温NH3-SCR脱硝反应。在Mn-Ce-Fe/VMT催化剂中,活性组分就像冰壶在冰面上一样均匀分散在蛭石载体上,表现出了优异的催化活性。

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1. 超低比表面积“冰壶催化剂”用于低温NH3-SCR脱硝。

文章亮点

1. 超低比表面积蛭石(小于5 m2/g)用于低温NH3-SCR脱硝催化剂载体;

2. Mn-Ce-Fe/VMT粉体催化剂在150 °C下的NO转化率可达100%

3. Mn-Ce-Fe/VMT成型催化剂在空速4000 h-1下的NO转化率可达90%。

内容概述

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物,严重威胁着生态环境和人类健康。世界上许多国家颁布了严格的环境法规以保障清洁的生活环境。NH3-SCR技术是当今最有效、最成熟的去除NOx的技术之一。目前,NH3-SCR催化剂的工作温度通常在200 °C以上,低温NH3-SCR催化剂依然面临着去除效率底的特点。

文章主要采用天然矿物蛭石为载体,通过等体积浸渍法制备了等“冰壶催化剂”用于NH3-SCR催化去除NOx。如表1所示,虽然Mn-Ce-Fe/VMT粉体催化剂的比表面积只有25.6 m2/g,但是活性组分Mn-Ce-Fe复合金属氧化物的理论比表面积可达105.2 m2/g,表现出了优异的脱硝性能(100%@150 °C)和抗硫抗水性能(图2)。

 

1. 蛭石与催化剂的孔隙结构与比表面积。

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2. Mn/VMTMn-Ce/VMTMn-Ce-Fe/VMT催化剂脱硝性能。(aNO转化率,(bN2选择性,(cN2O生成量,(dNO2生成量(GHSV=15300 h-1),(eMn-Ce-Fe/VMT催化剂抗H2O/SO2性能(150°C;f)本征反应速率常数Arrhenius图。

 

除了对粉体催化剂活性组分的组成、反应机理以及催化剂中毒等方面进行了研究,该文还通过挤出成型制备了Mn-Ce-Fe/VMT蜂窝式催化剂(图3)。在25-200 °C温度范围内,Mn-Ce-Fe/VMT蜂窝式催化剂的NO转化率随着温度的升高而升高。在4000 h-1下,Mn-Ce-Fe/VMT 蜂窝式催化剂的NO转化率可达90%,表现出了优异的脱硝性能。

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3. Mn-Ce-Fe/VMT蜂窝式催化剂在不同GHSV下的催化活性。

 

从图4可以看出,在Mn-Ce-Fe/VMTNH3-SCR催化反应同时遵循 E-RL-H反应机理。其中,E-R机理起主导作用,NH3首先在催化剂表面活化成NH2**代表吸附态),然后NH2*作为E-R反应活性中间体与NO(g)反应生成N2H2O。如图4a4c 所示,NOx (g)可以与吸附态NH3缓慢反应,吸附态的NO不能抑制NH3的吸附,但是预吸附的NH3物种对NOx的吸附有较大的影响(图4b4d)。在NH3*→NH2*+H*的脱氢过程中,NH3吸附在Mn活性位点上,其中一个H转移到相邻的O原子上形成O-H键,反应活化能为1.03 eV(图5)。


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4.aNH3吸附,(bNO+O2吸附的原位红外光谱,(cNO+O2与吸附态的NH 3反应和(dNH3与吸附态的NOx物种反应。


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5. NH2形成的初始状态、过渡态和最终态的能谱以及E-R反应机理图。

总结及展望

这项工作表明超低比表面积的天然矿物蛭石(VMT)也可以作为催化剂载体,使活性组分均匀分散在蛭石载体表面上,形成“冰壶催化剂”。这种Mn-Ce-Fe/VMT“冰壶催化剂”具有优异的NH3-SCR低温脱硝性能,在燃煤电厂、玻璃熔炉、工业锅炉等固定源烟气脱硝领域具有广阔的应用前景。

文章信息

TitleUltralow specific surface area vermiculite supporting Mn-Ce-Fe mixed oxides for selective catalytic reduction of NO with NH3

AuthorsYinji Wan, Junqi Tian, Gang Qian, Zhisong Liu, Wenjian Li, Jianming Dan, Bin Dai, Feng Yu*

DOI:10.1016/j.gce.2021.03.002

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原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2021.03.002


通讯作者简介

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于锋,男,博士,教授,博士生导师,国家级海外高层次人才。2010年毕业于中科院理化所,先后在NTU和A*STAR做博士后研究工作。2014年正式加入石河子大学化学化工学院,2015年入选国家级海外高层次人才计划,2016年&2019年入选兵团英才。主要从事含碳固废、新疆蛭石等在能源与环境催化领域的基础和应用研究工作,主持和参与了国家863计划、国家自然科学基金等各类项目10余项,在GEE、JMCA、CEJ、Nano Energy等期刊发表SCI科研论文等100余篇,引用3300余次,H因子33。担任Nanomater.等期刊客座编辑和北京市国际合作基地特聘专家。

期刊简介

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