预混合滞止燃烧合成纳米复合金属氧化物催化还原NOx的基础研究

燃烧优化结合SCR是柴油机NOx排放满足未来严格排放法规的最佳技术方案，但目前的SCR催化剂低温（<250℃）活性较差。本课题提出发展在150-550℃宽温度窗口具有高活性和高选择性的新型SCR催化剂的设想，并从催化剂设计和制备方法两方面提出解决方案：（1）将预混合滞止燃烧技术应用于SCR催化剂制备，合成比表面积大、活性高的纳米催化剂；（2）根据第一过渡系金属氧化物催化活性和选择性的不同温度特性，采用优势互补的方法设计在宽温度窗口具有高活性-高选择性的纳米Ti-基复合金氧化物催化剂。本课题将针对如下科学问题开展研究：（1）预混合燃烧参数对纳米催化剂物理化学结构和催化性能的影响规律；（2）Ti-Mn-Fe（V）复合金属氧化物催化还原NOx的微观反应机理以及催化剂抗硫中毒机制。本课题探索合成宽温度窗口高效SCR催化剂的新方法和相关理论，对发展新一代柴油机SCR技术具有重要意义。

SCR技术的研究重点为催化剂，传统的商业催化剂为负载在TiO2上的V2O5-WO3，在300-400°C温度窗口，该催化剂获得80%以上的NOx转化效率。但实际应用也需要SCR系统能够在低温下高效运行，如大型船舶的SCR系统安置于增压器后面和电厂把SCR反应器布置在烟气除尘和脱硫装置后面的场合，以及重型柴油车运行在怠速和冷启动的工况。因此，开发在低温下具有高活性的NH3-SCR催化剂成为国内外研究的热点。.综合比较了分别以过渡金属Mn、V、Fe、Zr、Co、Cr、Cu的氧化物以及以镧系金属Ce、La的氧化物作为活性组分合成的纳米Ti0.9M0.1O2-δ催化剂NOx去除效率以及N2和N2O的选择性。Ti0.9Ce0.05V0.05O2-δ催化剂具有最宽的活性温度窗口，且其N2选择性较高，N2O生成量较少。通过对Ti0.9Ce0.05V0.05O2-δ催化剂进行in situ DRIFTS实验研究提出了Ti0.9Ce0.05V0.05O2-δ催化剂上NH3选择性催化还原NOx在低温段（T < 250 ℃）主要遵循L-H机理以及在高温段（T > 250 ℃）主要遵循E-R机理。. 催化剂的低温转化效率随SiO2添加量的增多而逐渐下降，但350℃以后的高温活性却得到了一定的改善，催化剂的整体DeNOx活性窗口有右移的趋势。新型浸渍法制备的TiCe0.2W0.2催化剂具有最高的NO转化率和N2选择性，超过230℃的温度段活性都可保持在80%以上。.以Ti、V为活性组分，采用火焰合成法制备了Ti0.9V0.1O2-δ催化剂，研究了钒负载量、转盘转速、前驱物浓度等对制备的催化剂性能的影响，火焰合成法下制备的催化剂比表面积大，表面V富集、表面Brønsted酸量占优势，使该催化剂中低温性能优秀。另外火焰合成法制备的催化剂抗硫性能良好，NO转化效率在100ppmSO2中经过20个小时后仍稳定在80%左右。.将预混合滞止火焰燃烧技术应用于SCR催化剂合成，基本达到了预期目标，研究开发了适用于车用柴油机和船舶低速机的低温性能需求的纳米Ti-基复合金氧化物SCR催化剂，并对相关的基础科学问题进行了深入研究，项目研究对发展新一代柴油机SCR技术有重要意义。