过渡金属离子调变钛铈复合氧化物脱硝活性温度窗口机制

本申请课题将从SCR脱硝基本催化原理和材料结构出发，首次系统性研究过渡金属离子掺杂调变钛铈复合氧化物脱硝活性温度窗口的作用机制。创新研究不同过渡金属离子掺杂对钛铈复合氧化物表面酸性位类别、酸量大小、酸性强度的影响，揭示影响脱硝活性温度窗口的关键酸性因素和作用机理；深入研究过渡金属离子掺杂引起钛铈复合氧化物氧化还原性能的变化对脱硝活性温度窗口的影响；重点研究不同过渡金属离子掺杂引起钛铈复合氧化物材料结构与缺陷的变化分别对固体表面酸性、氧化还原性能及脱硝活性温度窗口的影响。定性或定量地分析归纳催化剂表面酸性（酸性位类别、酸量大小、酸性强度）、氧化还原性能及材料结构缺陷分别与脱硝活性温度窗口同步变化的规律，得到过渡金属离子掺杂调变复合氧化物催化剂活性温度窗口作用机制的一般规律，为设计普适性强、宽范可控的复合氧化物催化剂活性温度窗口提供坚实而富有新意的工程理论基础。

本课题通过过渡金属离子掺杂有效地调变了钛铈复合氧化物脱硝活性温度窗口，为新型铈基复合氧化物催化剂拥有宽范的脱硝活性温度窗口，适用工业变温烟气工况提供了保证。确立了Ti0.8Ce0.2O2的最优配伍，在此基础上筛选确立了Zr4+、Sn4+、Mo6+、W6+、Ni2+、Fe3+、Co2+、Mn2+、Cu2+等9种具有助催化功能的过渡金属离子。分别研究了过渡金属离子掺杂对Ti0.8Ce0.2O2脱硝活性温度窗口、表面酸量、酸强度、酸性位类别、氧化还原性能及材料结构与缺陷的影响及它们同步变化的规律。主要研究成果如下：. 过渡金属离子掺杂引起脱硝活性温度窗口的变化主要受过渡金属离子元素的本征物化性质决定，而与离子掺杂量无关。Ti0.8Ce0.2O2表面主要存在Lewis酸性位，过渡金属离子掺杂使得Ti0.8M0.2Ce0.2O2(1+y)表面产生了Bronsted酸性位，增加了L酸量。Py-IR证实L酸性位为弱酸位，B酸性位为强酸位。Ti0.8M0.2Ce0.2O2(1+y)高温脱硝活性温度窗口主要由B酸强度决定，其NH3-SCR脱除NO的反应机理遵循B酸机制。首次更深层次揭示了表面酸强度决定脱硝活性温度窗口，酸量大小决定脱硝活性大小。发现材料结构缺陷会引发催化剂表面酸性位变化，并可使材料表面同时存在B和L酸性位，以此提出了二元复合氧化物同时存在B和L酸性位的新假说，解决了Tanabe酸性法则无法解释“二元复合氧化物同时存在B和L酸性位”的科学问题。揭示了低温氧化还原能力及氧化物种数量的提高有利于提高低温脱硝活性，从而拓宽了低温脱硝活性温度窗口。不同过渡金属离子掺杂改变了Ti0.8M0.2Ce0.2O2(1+y)的低温氧化还原性能。低温氧化性能的调变与复合氧化物低温活性温度窗口的拓宽趋势一致。过渡金属离子掺杂改变了钛铈复合氧化物的固相结构，细化了晶粒尺寸，形成新的固溶体并造成了晶格缺陷，使复合氧化物表面能及氧空位数增加，同时形成了多样的孔结构，比表面发生了变化，从而促成了脱硝活性温度窗口的变化。以上成果为设计普适性强、宽范可控的复合氧化物催化剂活性温度窗口提供了坚实而富有新意的工程理论基础。发表相关论文17篇，其中SCI论文11篇；申请国家发明专利8项，其中授权3项；培养研究生13名；获江苏省科学技术一等奖及中国石油和化学工业联合会技术发明二等奖各1项。