Ce4+, Zr4+共掺杂提高V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能及抗K中毒能力

• 作者: 傅敏 姚小江 曹俊 杨复沫 汤常金 董林 陈丽
• 来源期刊: 催化学报
• 关键词: V2O5-WO3/TiO2-CeO2-ZrO2催化剂 共掺杂 钾中毒 氨-选择性催化还原 反应机理
• 年，卷（期）: 2019,（1）
• 页码范围: 114-123
• 页数: 10页
• 字数: 1466字
• 语种: 中文
• DOI: 10.1016/S1872‐2067(18)63184‐5

摘要

近年来, NOx的排放造成了严重的环境污染. 氨选择性催化还原技术(NH3-SCR)是目前消除NOx最有效的手段之一. V2O5-WO3/TiO2催化剂在300–400 °C范围内表现出优异的脱硝性能, 因此被广泛用于NH3-SCR反应. 然而该催化剂抗碱(土)金属中毒性能较差, 且碱(土)金属碱性越强对催化剂的毒害越大(即K > Na > Ca > Mg). 已有研究显示, 当K2O质量分数达1%时, 催化剂将完全失活, 所以对传统的V2O5-WO3/TiO2催化剂进行改性以提高其抗K中毒性能具有十分重要的意义.最近, CeO2由于具有优异的氧化还原性能和储/释氧能力, 在NH3-SCR反应得到了广泛的关注. 研究显示, CeO2的改性可提高钒基催化剂脱硝活性及抗碱金属中毒性能, 这主要是由于CeO2的掺杂可以有效提高催化剂表面酸性及氧化还原能力. ZrO2是一种酸碱两性氧化物, 常被用作载体或者助剂. 研究显示, ZrO2的引入可以提高催化剂热稳定性, 增大比表面积以及提高氧迁移能力. 基于此, 我们制备了一系列的V2O5-WO3/TiO2-ZrO2, V2O5-WO3/TiO2-CeO2以及V2O5-WO3/TiO2-CeO2-ZrO2催化剂, 以期提高V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能及抗K中毒能力.研究发现, Ce4+, Zr4+共掺杂可以有效提高V2O5-WO3/TiO2催化活性, 拓宽反应温度窗口, 增强抗K中毒能力. 进一步借助X射线衍射、比表面积测定、氨气-程序升温脱附、氢气-程序升温还原和X射线光电子能谱等表征对催化剂进行全面分析. 结果显示, Ce4+, Zr4+共掺杂对V2O5-WO3/TiO2催化剂物理化学性质的影响与其脱硝性能及抗K中毒能力有着密不可分的关系. 首先, Ce4+, Zr4+可以掺杂进入TiO2晶格, 抑制TiO2晶粒的生长, 从而导致比表面积以及总孔体积的增加; 比表面积的增加有利于活性物种的分散, 而总孔体积的增加有利于反应物分子与催化剂充分接触. 其次, Ce4+, Zr4+共掺杂可以提高催化剂表面酸性和氧化还原性能, 表面酸性的增加有利于催化剂吸附与活化反应物种NH3, 氧化还原性能的提高有利于NO氧化为NO2, 进而通过"快速NH3-SCR"反应提高催化剂活性; 同时, Ce4+, Zr4+共掺杂还可以有效降低K中毒对表面酸性和氧化还原性能的影响, 这主要是由于Ce4+可以与K原子结合形成Ce-O-K物种, 而Zr4+的引入可以增加Ce4+的热稳定性, 使得更多的Ce4+与K结合, 避免了K与活性钒物种结合形成V-O-K物种, 使得活性V5+得到了有效的保护. 原位红外实验揭示了V2O5-WO3/TiO2-CeO2-ZrO2催化反应遵循L-H机理, 且K中毒并未改变其反应机理. 最后, 该催化剂在H2O和SO2存在的条件下仍具有最佳的脱硝性能, 因而有望用于实际高K含量的燃煤烟气脱硝.