基于密度泛函理论的SCR催化剂对燃煤汞的非均相氧化机理和反应动力学研究

本项目针对极具危害性的燃煤汞的控制技术前沿领域进行研究。SCR可催化氧化汞实现联合脱硝脱汞，其关键在于研究汞催化氧化的反应机理和反应动力学。现有研究局限于实验现象观测和数据积累，缺乏对微观相互作用机理的深入研究。本项目应用先进的量子化学密度泛函理论，在分子水平上深入研究SCR催化剂对汞的非均相催化氧化作用的本质和微观机理。揭示SCR催化剂表面的分子结构、不同活性位对汞吸附及氧化性能的定量关系；探讨烟气成分对汞在SCR催化剂表面的竞争、协同反应机理；建立汞、HCl与SCR催化剂的非均相氧化反应动力学模型；对SCR催化剂对汞的吸附和氧化性能、通过掺杂改性增强SCR催化剂氧化汞的可能性等问题进行系统而本质的描述。为通过分子设计进行SCR脱硝技术联合脱汞提供科学依据，在多种污染物联合脱除方面有重大意义。通过多学科的交叉研究，可为污染物的转化和控制机理、材料的分子设计和模拟提供创新的研究思路和方法。

本项目针对极具危害性的燃煤汞的控制技术前沿领域进行研究。单质汞是最难被控制的形态，是燃煤汞控制的关键瓶颈。SCR催化剂可以促使烟气中的单质汞向氧化态汞转化，从而利用电厂已有的污染物控制设备将汞脱除。汞催化氧化控制方法的重点是汞催化氧化的反应机理和反应动力学的研究。现有研究局限于实验现象观测和数据积累，缺乏对微观相互作用机理的深入研究。.本项目应用量子化学密度泛函理论，对汞在SCR催化剂表面的非均相吸附和催化氧化机理，进行了较为全面系统的理论和实验研究，在分子水平上深入研究SCR催化剂对汞的非均相催化氧化作用的本质和微观机理。.建立了周期性结构模型来模拟SCR催化剂的固体表面，得到吸附能、吸附构型、吸附位、态密度等。揭示了SCR催化剂表面的分子结构、不同活性位对汞吸附及氧化性能的定量关系。从本质上深入揭示非均相氧化作用机理及规律，定量的分析它们的成键特性以及这些键在化学反应中的变化，得出有关反应性的信息。.提出了汞在SCR催化剂表面上的氧化反应路径，给出汞氧化反应路径中涉及到的反应物、中间体、过渡态和终态的结构参数，得到反应活化能，寻找最优氧化反应路径。这在本学科领域是一个新的研究思路。.揭示了烟气成分对汞在SCR催化剂表面上的竞争、协同反应机理。得到这些关键烟气成分对单质汞在催化剂固体表面非均相氧化的影响机制。解决目前仅靠实验现象的观测和数据积累，进行经验定性关联研究的不足。.在理论研究基础上，采用超声波增强的溶胶凝胶法合成了新型的CeO2-SiO2-TiO2, CeO2-WO3-TiO2催化剂，在固定床实验系统上研究了催化剂对汞的催化氧化性能。考察了催化剂组成、温度、烟气成分等对汞催化氧化的影响。新型SCR催化剂具有高效氧化汞、宽温度窗口等特点，为开发新型SCR催化剂控制燃煤烟气中汞的排放奠定了基础。.发表学术论文18篇，其中SCI收录8篇，包括国际燃烧会议会刊（Proceedings of the Combustion Institute）2篇；EI收录10篇。部分原创性工作受到美国斯坦福大学Wilcox教授发表在国际权威期刊的综述文章的大段正面引用。参加国际学术会议3次，包括在本学科领域的最高级别学术会议——International Symposium on Combustion上做口头报告。