Fe-ZSM-5催化剂用于氨选择性催化还原(NH3-SCR)净化柴油车NOx排放研究

Fe-ZSM-5在氨选择性催化还原NOx反应中具有较宽的活性窗口和较高的热稳定性，是有望用于柴油车尾气催化净化NOx的催化材料。Fe-ZSM-5催化剂要得到实际应用，尚有许多需要研究的基础问题。本项目在国内外现有工作的基础和启示下开展深入的研究，通过建立Fe-ZSM-5表面Fe物种分布与NH3-SCR反应之间的构效关系，制备高活性的Fe-ZSM-5；研究水热老化、SO2和H2O、碳氢化合物共存对ZSM-5分子筛骨架结构与Fe活性中心结构与催化活性的影响，指导高活性、高水热稳定性与耐硫性催化剂的合成；研究Fe-ZSM-5催化剂在NO/NO2-NH3-SCR反应中的催化活性和水热等因素的影响规律，为通过增加NOx中NO2的比例来提高SCR反应的低温活性提供基础数据。

Fe-ZSM-5在氨选择性催化还原NOx反应中具有较宽的活性窗口和较高的热稳定性。本项目研究了常规离子交换法、固相离子交换法、等体积浸渍法制备的Fe-ZSM-5催化剂上Fe物种的分布情况，以及Fe物种分布与Fe-ZSM-5催化剂在NH3-SCR反应中的催化活性之间的构效关系。根据UV-vis DRS表征结果，Fe-ZSM-5 催化剂表面 Fe 物种分为孤立 Fe3+物种、低聚 Fe 氧化物团簇和 Fe2O3, 不同方法制备的Fe-ZSM-5催化上Fe物种分布不同，最终使得催化活性不同。从水热稳定性、抗硫和水以及抗碳氢中毒三个角度考察了Fe-ZSM-5催化剂的活性和耐久性。水热老化使得Fe-ZSM-5催化剂上Brønsted酸性位减少，分子筛骨架脱铝，活性Fe3＋物种向低聚Fe氧化物团簇和Fe2O3迁移，是导致水热老化后Fe-ZSM-5催化剂的NH3-SCR活性降低的主要原因。水和SO2的共存降低了Fe-ZSM-5的低温活性，略提高了高温活性。C3H6的存在造成了整个反应温度区间NOx转化率的下降。Fe-ZSM-5催化剂的硫中毒和碳氢中毒是可逆的。以Na-ZSM-5为载体制备的Fe-ZSM-5催化剂由于积碳较少，其抗碳氢中毒能力优于以H-ZSM-5为载体制备催化剂。考察了新鲜和水热老化后催化剂在标准SCR反应(NO2/NOx = 0)和NO2/NOx＝0.3和NO2/NOx＝0.5的快速SCR条件下的活性表现。在标准SCR中，水热老化后的催化剂低温活性显著降低而高温活性略微上升。在快速SCR中,NO2的存在提高了新鲜和老化催化剂的NOx转化率。在固定的NO2添加比例下，老化Fe-ZSM-5催化剂上的N2O的生成明显高于新鲜催化剂，且N2O的生成随着催化剂水热老化程度的加重而增加。