MnOx/CeO2@CNTs核壳结构低温氨选择性催化还原NO性能及机理研究

针对目前氨选择性催化还原脱硝催化剂活性温度高、稳定性差等问题，本项目采用吡啶溶剂热法与聚苯乙烯磺酸钠辅助低温回流法设计合成MnOx/CeO2@CNTs核壳结构低温脱硝催化剂，通过改变制备参数以及在其表面修饰金属氧化物助剂或硫酸化处理，调控其形态结构与表面物理化学性质。借助常规测试表征，结合原位分析技术、表面反应技术以及量化计算等，研究催化剂结构(几何效应和电子效应)与低温催化性能的关系，建立其形貌、晶型、结构、酸碱性与催化活性、选择性、抗毒性、稳定性的构效关系，阐明反应物NH3及NO等在催化剂表面的吸附活化机理，明确催化剂表面Lewis酸位和Br?nsted酸位对催化反应的影响，探索其活性中心的本质，明晰SO2和H2O对MnOx/CeO2@CNTs核壳结构催化剂的抑制作用机理，揭示其不同组分在低温下的协同催化作用机制，为设计高活性低温烟气脱硝催化剂提供理论指导。

本项目针对目前氨选择性催化还原脱硝催化剂活性温度高、稳定性差等问题，采用吡啶溶剂热法与聚苯乙烯磺酸钠(PSS)辅助低温回流法设计合成MnOx/CeO2@CNTs 核壳结构低温脱硝催化剂，通过改变制备参数以及在其表面修饰金属氧化物助剂或硫酸化处理，调控其形态结构与表面物理化学性质。采用 SEM、TEM、ICP、XRD、XPS、BET、TPR、TG-DTA等对催化剂进行常规表征，结合原位测试技术、表面反应技术以及量化计算，探索了催化剂中纳米粒子负载量、负载比例、晶型结构、颗粒尺寸、致密程度、表面酸度等对催化活性、选择性、抗毒性、稳定性及寿命的影响，进而阐述了催化剂结构（几何效应和电子效应）与低温选择性催化还原NO性能之间的关系；探究了反应物NH3及NO等在催化剂表面的动力学吸附-脱附行为及规律，研究了反应物在催化剂表面的吸附活化机理，明确了催化剂表面Lewis酸位和Brönsted酸位对催化反应的影响，探索了其活性中心的本质，明晰了SO2和H2O对催化剂的抑制作用机理，揭示了其不同组分在低温下的协同催化作用机制。研究结果显示，相比于浸渍法和机械混合法，吡啶溶剂热法与PSS辅助回流法制备的催化剂活性组分均匀分散/颗粒尺寸小，在低温催化中NO转化率高，并且具有高稳定性和高抗硫性。催化剂高度分散的活性组分提供了更多的活性中心，并且促进了反应气体的吸附与活化，活性组分与载体之间存在相互作用加强了催化剂的氧化还原性能及稳定性。基于这些有利的形貌结构与表面性质，该催化剂表现出更高的催化活性、稳定性以及抗中毒能力。为进一步提高其催化性能，设计合成了以负载MnOx-CeOx复合氧化物的纳米碳管为核，介孔氧化钛为壳的核壳结构催化剂。该催化剂氧化钛壳层的介孔特性为反应气体提供了吸附-脱附通道，提高了催化剂的比表面积和孔容，促进了反应气体的吸附存储，从而使催化剂具有更好催化活性；并且，介孔氧化钛壳层提供一个有效壁垒阻止纳米碳管表面活性物种的迁移团聚，从而提高催化剂的稳定性；此外，介孔氧化钛壳层不仅防止了生成的硫酸铵对活性位的堵塞同时抑制了活性物种的硫酸化，提高了催化剂的抗硫性。本项目发表15篇SCI论文，参加学术会议3次，申请国家发明专利3项，其中1项已获授权。本项目的成功实施，为设计高活性低温烟气脱硝催化剂提供了理论指导，对高性能脱硝催化剂的制备及应用具有借鉴意义。