铁基和锰基NH3-SCR催化剂活性改进、结构解析及反应机理研究

NH3选择性催化还原NO（NH3-SCR）是去除固定源和移动源NOx最为有效的技术之一。由于目前常用的V2O5/TiO2催化剂仍存在诸多问题，开发高效稳定环境友好的新型催化剂体系成为研究者关注的热点。在前期研究中我们成功开发出了有望用于柴油机尾气NOx净化的FeTiOx催化剂以及有望用于燃煤电厂低温烟气脱硝净化的FeMnTiOx催化剂，但分别在高温水热稳定性和低温抗水抗硫性方面有待改善。本项目拟在前期研究的基础上，通过改变制备方法、优化制备条件以及添加助剂，提高FeTiOx催化剂的水热稳定性，通过表面有机物接枝改性和表面酸碱性调节提高FeMnTiOx催化剂的低温抗水抗硫中毒性能，并尝试开发全锰基低温SCR催化剂；采用多种原位和离位表征手段，建立催化剂在SCR反应中的构效关系，明晰反应机理，指导催化剂进一步设计合成；全面研究成型催化剂制备技术，为非钒基催化剂的实际工业应用提供基础数据。

本项目系统研究开发了铁基氧化物、锰基氧化物以及含钒含铈氧化物系列NH3-SCR催化剂并用于固定源和移动源NOx的选择性催化还原。针对铁基氧化物催化剂，以FeTiOx催化剂为主要研究对象，采用XAFS技术对其微观结构进行了详细解析，建立了该催化剂在NH3-SCR反应中的构效关系。采用H2程序升温还原（H2-TPR）和XAFS相结合的技术手段，详细研究了FeTiOx复合氧化物材料和纯Fe2O3在H2-TPR过程中的微观结构变化，确定了这两种材料由于氧化还原性质不同而具有不同的NH3-SCR反应活性。该成果可以为同时研究其他类型复合氧化物催化剂的氧化还原能力及局部微观结构变化提供有益的参考，利于建立该类催化剂在某些催化反应中的构效关系。针对锰基氧化物低温NH3-SCR催化剂，成功开发了新型的MnWOx、MnNbOx复合氧化物材料，可在较高的反应空速条件下、在较宽的低温范围内具有优异的NOx催化净化效率。特别是MnWOx催化剂具有特殊的核壳结构，核心为Mn3O4，被Mn5O8紧密包裹，而Mn5O8最外层的Mn4+物种则是NH3-SCR反应的主要活性物种。W物种的加入使得MnOx具有更小的颗粒尺寸，增加了表面酸性并促进了NO和NH3的氧化，通过促进低温段L-H和E-R两种反应路径的进行而有效提高了低温NOx还原性能。该新型催化剂有望实际应用于固定源烟气脱硫和除尘之后的低温NOx净化过程。尝试将Fe基催化剂和V基催化剂的优点有机结合起来，采用简单的共浸渍法制备出了在TiO2载体上高度分散的FeVO4催化剂，在NH3-SCR反应中具有高的活性、N2选择性以及抗水抗硫性能。特别的是，FeVO4材料（约850 oC）具有比V2O5更高的熔点（约690 oC），因此具有更好的热稳定性，可以抵御重型柴油车尾气净化过程中与颗粒物捕集系统（DPF）联用再生时带来的高温热冲击。以上提及的多种高效催化剂可适用于不同操作条件下的NOx催化剂净化过程，均具有极好的工业应用前景。