耐受杂质气体的低温N2O分解催化剂研究

N2O is one of gaseous environmental pollutants, seriously harmful to our bodies, and strongly contributes to global warming and ozone layer depletion. It is contained in many different types of industrial exhausts, e.g., the nitric acid and adipic acid manufacture exhausts, engine exhausts, coexisting with lots of gaseous impurities, such as CO2, H2O, O2, NO. Currently, eliminating the N2O at about 300 oC under the coexistence of the impurity gases is one of attractive and challenging research topics in the world, because the research may resolve the following problems: The current technique treating the exhausts in the nitric acid and adipic acid manufacture consumes large amount of mid product or power energy, as the activity of the current catalyst at the lower temperature is strongly inhibited by the impurity gases. In addition, the research may provide a technique capable of eliminating the N2O from engine exhaust, coupling with TWC, NSR or SCR catalyst. . The project of this requisition is aimed to investgate the catalysts with the property required by the application mentioned above, based on experence of researching the catalyst tolerance to the gaseous impurities. To realize the objective of the project, the researchers will study the mechanism about the catalyst tolerance to the impurities, and the preparation conditions beneficial to the active structure formation, disclose the active structure of the catalyst, so as to efficiently design, research the catalysts more active to the reaction at the low temprature and more tolerance to the impurities.

N2O是一种危害人体健康、有强烈温室效应和对臭氧层有严重破坏作用的污染气体。它与CO2、H2O、O2、NO等杂质气体共存于硝酸、己二酸等很多工业生产尾气以及机动车尾气中。目前，在300 ℃附近、将这些杂质气体共存条件下的N2O用催化分解法有效消除，是世界范围内极具诱惑和挑战性的研究课题之一。这是因为，该项研究不仅可能解决现有技术处理硝酸、己二酸生产尾气N2O时大量消耗中间产物或电能问题，还有可能形成与TWC/NSR/SCR催化剂耦合配套的机动车尾气N2O处理技术。现有催化剂因其低温活性被上述杂质气体强烈抑制，无法解决上述问题。本课题拟在已有耐杂质气体的N2O分解催化剂研究基础上，进一步研究催化剂耐杂质气体的机制、催化剂活性位结构以及有利于活性位形成的制备条件，提高催化剂低温活性和对杂质气体的耐受性，设计研究给出性能更好的N2O分解催化剂，为实现上述挑战性目标给出关键性科学依据。

N2O是强烈破坏臭氧层的空气污染物，与CO2、H2O、O2、NO等杂质气体共存于诸多化工生产尾气中，因此世界环保亟需通过催化分解消除这些尾气中的N2O而减少对空气的污染。本课题针对低温（<400 oC）排放含N2O的化工尾气， 研究了高活性、高稳定性、耐受上述杂质气体的低温消除N2O的过渡金属氧化物基催化剂，为相应尾气的N2O消除给出了应用基础数据。在本课题经费支持下进行的上述研究，完成了预定的研究目标。催化剂获国家发明专利授权两项，发表SCI论文15篇。 . 所得高活性、高稳定性催化剂有均匀型镍基、钴基催化剂，以及核壳型钴基催化剂三种。前二者的最佳组成分别为Ce1.0Ba1.5Ni0.9、Pb0.04Co，其最佳制备方法均为以Na2CO3作为沉淀剂共同沉淀Ce、Ba和Ni的硝酸盐。所得Ce1.0Ba1.5Ni0.9催化剂对于2000 ppm N2O+2%H2O+5% O2+Ar的模拟反应混合气, 在300 oC和GHSV为20000 h-1的反应条件下可使N2O完全分解；所研究的Pb0.04Co催化剂对于上述混合气即使再含有100 ppm NO, 在350 oC 也可使N2O分解率达到95%以上。核壳型钴基催化剂Co3O4/CaCO3以Co/Ca原子比为2.5时性能最优，对于2000 ppm N2O+2%H2O+5% O2+Ar模拟反应混合气，在350 oC催化N2O显示了非常高的催化稳定性。. 通过研究Co3O4在不同温度催化N2O分解活性受O2分压的影响发现，在450 oC以下，L-H模式为N2O催化分解的绝对优势途径。随反应温度的提高，E-R模式对N2O的催化分解途径的贡献才逐渐显现。本研究首次提出，对于过渡金属氧化物基N2O分解催化剂，由于其活性位数目随反应温度的提高而大幅度增加，所用的阿伦尼乌斯方程法必须经过修正后才能准确给出实验活化能。