微织构控制炭基负载过渡金属催化剂NOx催化活性的作用机制——重金属废物催化剂资源化利用为例

Based on the problem discovered in the exploration of producing carbon-based transition metal deNOx catalyst by using heavy metal sludge, the topic has been proposed for the first time from the systematic viewpoint that characteristic micro-texture is the foundation of producing highly effective NOx-SCR catalyst. The main purpose of this project is high value-added recycling of heavy metal waste solid and phenolic waste water by their cooperation in revealing the determining influence of micro-texture of carbon supported transition metal catalyst on NOx-SCR activity. In order to understand the physical-chemistry principle of NOx adsorption and reduction during NOx-SCR by micro-textural interface, we will focus on transition-metal interface and carbon matrix in carbon supported transition metal catalyst, and establish the relations between micro-texture and catalysis activities, including adsorption and reduction energy calculation, active temperature for NOx-SCR, N2 selectivity, deactivation time, NOx decomposition process and micro-texture transformation. According to these works, a theory will be proposed on characteristic micro-texture optimization and formation control when producing carbon supported metal catalyst for highly effective NOx-SCR. At the same time, a new technology will be established for the development of characteristic micro-texture in derived catalyst for effective NOx-SCR by co-treatment of heavy metal waste and phenolic wastewater.

以利用重金属污泥探索制备炭基过渡金属脱硝催化剂应用发现的问题为导向，首次从系统学的视角提出特征微织构是制备高效炭基NOx-SCR催化材料基础的命题。通过揭示微织构控制炭基负载过渡金属催化剂活性的作用机制，通过重金属废物及苯环类有机废水协同作用，实现其按需资源化、高附加值利用是本申请的研究目标。本课题期望通过对炭基负载过渡金属催化剂特征微织构中过渡金属-炭界面、炭基质特性的重点研究，建立微织构主要特征与脱硝作用效果、吸附还原能、脱硝起活温度、N2产物选择性、失活时间、催化反应历程、微织构转化过程的定性定量联系，重点弄清催化剂微织构中界面机制对NOx吸附以及高效还原贡献的物理化学原理，初步形成高效NOx-SCR催化活性特征微织构按需设计、形成过程可控的理论体系，构建利用重金属废物及含苯环类有机废水协同共处理，形成高效NOx-SCR特征微织构及其衍生催化材料的技术新体系。

现代工业的发展产生了大量重金属固体废物和重金属废水，这些废物具有制备高效脱硝催化剂实现高附加值的潜力。但是必须研究微织构控制脱硝催化剂性能的作用机制，指导重金属废物体系形成具有特征微织构的催化材料前驱体。本基金以利用重金属污泥探索制备炭基过渡金属脱硝催化剂应用发现的问题为导向，首次从系统学的视角提出特征微织构是制备高效炭基脱硝催化材料基础的命题。通过对炭基负载过渡金属催化剂特征微织构进行材料学计算及实验探索，得到以下五个重要科学结论：（1）NO分子还原反应中的控速步骤为反应碳原子从石墨烯表面的脱离。含氧官能团可以增加Fe-C键吸附NO分子的能力。其中羧基的存在对Fe-C键吸附NO的能力影响程度最大；（2）建立了微织构中Fe-C距离与催化活性的关系曲线，表明Fe-C距离与催化活性呈反比，并验证了该曲线的适用性；（3）对比络合度依次增强的MOFs脱硝催化剂，发现其脱硝能力、物质及电子转移能力随着络合度提高而依次增强；（4）电镀污泥经MOFs合成技术调控后催化效果显著提升；（5）使用电子顺磁共振仪检测脱硝过程中气相及催化剂固相中特征自由基信号，表明在SCR反应过程中催化剂通过羟基自由基及乙烯基自由基催化还原NO。以上成果总共发表了第一标注的SCI论文13篇，其中一区论文8篇，申请相关专利5篇，其成果“有色冶炼重金属固体废物资源化关键技术及应用”获得2019 年中国有色金属工业科学技术奖一等奖。更加重要的是，江西萍乡人民政府已与本课题负责人所在课题组共建研究院。根据双方协议框架，湘东区政府将在2019-2022年投入3300 万元，提供3000平方米研究院大楼和产业化中试平台，推进技术团队以萍乡湘东陶瓷工业为基地，通过科技创新和成果转化应用，提升湘东传统陶瓷产业的新产品研发速度和国际国内影响力。本课题负责人获得2020 江西省萍乡市“昭萍英才”、2020 年江西省主要学科学术和技术带头人培养计划领军人才。