超临界水热合成过渡金属改性铈基催化剂应用于CO-SCR脱硝研究

戴晓霞 蒋威宇 王望龙 翁小乐 尚媛 薛烨辉 吴忠标

引用本文: 戴晓霞,  蒋威宇,  王望龙,  翁小乐,  尚媛,  薛烨辉,  吴忠标. 超临界水热合成过渡金属改性铈基催化剂应用于CO-SCR脱硝研究[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 728-735. doi: 10.1016/S1872-2067(17)63008-0 shu
Citation:  Xiaoxia Dai,  Weiyu Jiang,  Wanglong Wang,  Xiaole Weng,  Yuan Shang,  Yehui Xue,  Zhongbiao Wu. Supercritical water syntheses of transition metal-doped CeO2nano-catalysts for selective catalytic reduction of NO by CO: An in situ diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy study[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 728-735. doi: 10.1016/S1872-2067(17)63008-0 shu

超临界水热合成过渡金属改性铈基催化剂应用于CO-SCR脱硝研究

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2016YFC0204100);国家自然科学基金(51478418);浙江省重点科技创新团队(2013TD07).

摘要: 氮氧化物(NOx)作为煤炭燃烧过程主要污染物之一,可直接或间接引起如光化学烟雾、酸沉降、平流层臭氧损耗和全球气候变化等大气环境污染问题.NOx的选择性催化还原技术(SCR)被认为是目前处理固定源NOx的最有效方法之一.由于燃煤工业锅炉烟气中还有1%~3%的CO,远高于NOx的0.02%~0.04%,因此,以CO为还原剂进行CO-SCR脱硝具有现实意义,它可在反应过程中同时消除CO和NO两种有害气体,但对催化剂的活性及抗毒性提出更高要求.CeO2作为一种常用的稀土材料,因具有良好的储放氧能力而广泛应用于SCR反应中.过渡金属改性可进一步改善CeO2的物化性能,从而可能达到CO-SCR的应用要求.
本文利用超临界水热技术合成了MOx-CeO2(M=Co,Fe,Cu)固溶体催化剂,并利用X射线衍射(XRD),氢气程序升温还原(H2-TPR),傅里叶变换原位红外(DRFTIR)等探究了催化剂在CO-SCR反应中的催化活性与作用机制.
CO-SCR反应活性测试表明,CuO-CeO2催化剂活性明显优于FeOx-CeO2和CoOx-CeO2催化剂,在126℃ NO去除率即可达到90%;其N2选择性也可在179℃时达到90%.为了进一步探究MOx-CeO2(M=Co,Fe,Cu)催化剂的CO-SCR反应途径,本文随后进行了系列原位DRFTIR实验,发现NO在三种催化剂表面均能被高效吸附,其吸附态中间产物主要为双齿硝酸根,桥式硝酸根,桥式硝基和亚硝酰基等.另外,在CuO-CeO2催化剂表面还存有螯合硝基和单齿硝酸根.CO在催化剂表面主要以COx,碳酸根和羧酸根等形式存在.值得注意的是,在CuO-CeO2表面,CO因吸附于Cu+而形成Cu+-CO,在2100 cm-1左右形成明显的特征峰.当催化剂表面吸附CO至饱和后再通入NO发现,CO的吸附特征峰逐渐被NO的特征吸附峰取代;而当NO被吸附至饱和后再通入CO,NO的特征峰则不出现明显变化.这表明NO和CO在催化剂表面存在竞争吸附,NO可能优先于CO吸附在催化剂表面.当NO和CO同时通入红外反应仓时发现,在CoOx-CeO2和FeOx-CeO2催化剂表面只观察到NO的吸附峰,而在CuO-CeO2催化剂表面观察到Cu+-CO的特征峰,说明在CO-SCR反应过程中,CO可以在Cu+表面被有效吸附,其与吸附于CeO2表面的NO物种反应生成N2和CO2,遵循Langmuir-Hinshelwood反应机理.而在CoOx-CeO2和FeOx-CeO2催化剂表面,因NO的竞争吸附,使得二者主要遵循Eley-Rideal反应机理.

English

    1. [1] Y. Liu, T. T. Gu, Y. Wang, X. L. Weng, Z. B. Wu, Catal. Commun., 2012, 18, 106-109.

    2. [2] F. D. Liu, W. B. Shan, X. Y. Shi, C. B. Zhang, Chin. J. Catal., 2011, 32, 1113-1128.

    3. [3] Z. Y. Liang, X. Q. Ma, H. Lin, Y. T. Tang, Appl. Energy, 2011, 88, 1120-1129.

    4. [4] R. L. McCormick, S. K. Boonrueng, A. M. Herring, Catal. Today, 1998, 42, 145-157.

    5. [5] Z. H. Chen, X. H. Li, X. Gao, Y. B. Jiang, Y. Y. Lü, F. R. Wang, L. F. Wang, Chin. J. Catal., 2009, 30, 4-6.

    6. [6] X. L. Tang, J. M. Hao, W. G. Xu, J. H. Li, Chin. J. Catal., 2006, 27, 843-848.

    7. [7] W. Y. Yao, Y. Liu, X. Q. Wang, X. Q. Weng, H. Q. Wang, Z. B. Wu, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 221-229.

    8. [8] H. Hamada, M. Haneda, Appl. Catal. A, 2012, 421-422, 1-13.

    9. [9] S. Wu, X. B. Li, X. C. Fang, Y. Y. Sun, J. Sun, M. D. Zhou, S. L. Zang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 2018-2024.

    10. [10] X. D. Zhang, H. Dong, Y. Wang, N. Liu, Y. H. Zuo, L. F. Cui, Chem. Eng. J., 2016, 283, 1097-1107.

    11. [11] S. Andreoli, F. A. Deorsola, R. Pirone, Catal. Today, 2015, 253, 199-206.

    12. [12] X. D. Zhang, F. L. Hou, Y. Yang, Y. X. Wang, N. Liu, D. Chen, Y. Q. Yang, Appl. Surf. Sci., 2017, 423, 771-779.

    13. [13] D. J. Kang, X. L. Yu, M. F. Ge, Chem. Eng. J., 2017, 330, 36-43.

    14. [14] X. B. Chen, S. Cao, X. L. Weng, H. Q. Wang, Z. B. Wu, Catal. Commun., 2012, 26, 178-182.

    15. [15] W. Li, T. Lin, Q. L. Zhang, M. C. Gong, Y. Q. Chen, Chin. J. Catal., 2009, 30, 104-110.

    16. [16] J. Han, J. Meeprasert, P. Maitarad, S. Nammuangruk, L. Shi, D. S. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 1523-1533.

    17. [17] J. S. Elias, M. Risch, L. Giordano, A. N. Mansour, Y. Shao-Horn, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 17193-17200.

    18. [18] L. J. Fan, K. Xi, Y. Zhou, Q. L. Zhu, Y. F. Chen, H. F. Lu, RSC Adv., 2017, 7, 20309-20319.

    19. [19] P. F. Zhang, H. F. Lu, Y. Zhou, L. Zhang, Z. L. Wu, S. Z. Yang, H. L. Shi, Q. L. Zhu, Y. F. Chen, S. Dai, Nat. Commun., 2015, 6, 8446.

    20. [20] Y. Q. Sheng, Y. Zhou, H. F. Lu, Z. K. Zhang, Y. F. Chen, Chin. J. Catal., 2013, 34, 567-577.

    21. [21] L. J. Yan, Y. Y. Liu, H. Hu, H. R. Li, L. Y. Shi, D. S. Zhang, ChemCatChem, 2016, 8, 2267-2278.

    22. [22] X. D. Zhang, H. X. Li, F. L. Hou, Y. Yang, H. Dong, N. Liu, Y. X. Wang, L. F. Cui, Appl. Surf. Sci., 2017, 411, 27-33.

    23. [23] X. J. Yao, Y. Xiong, W. X. Zou, L. Zhang, S. G. Wu, X. Dong, F. Gao, Y. Deng, C. J. Tang, Z. Chen, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2014, 144, 152-165.

    24. [24] J. H. Ma, G. Z. Jin, J. B. Gao, Y. Y. Li, L. H. Dong, M. N. Huang, Q. Q. Huang, B. Li, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 24358-24370.

    25. [25] J. Y. Zhang, X. L. Weng, Z. B. Wu, Y. Liu, H. Q. Wang, Appl. Catal. B, 2012, 126, 231-238.

    26. [26] M. Machida, M. Uto, D. Kurogi, T. Kijima, Chem. Mater., 2000, 12, 3158-3164.

    27. [27] W. Liu, M. Flytzanistephanopoulos, J. Catal., 1995, 153, 304-316.

    28. [28] W. Liu, M. Flytzanistephanopoulos, J. Catal., 1995, 153, 317-332.

    29. [29] M. Wu, X. Y. Wang, Q. Q. Dai, Y. X. Gu, D. Li, Catal. Today, 2010, 158, 336-342.

    30. [30] M. Ozawa, K. Matuda, S. Suzuki, J. Alloys Compd., 2000, 303-304, 56-59.

    31. [31] S. Bahrami, A. Niaei, M. J. Illán-Gómez, A. Tarjomannejad, S. M. Mousavi, V. Albaladejo-Fuentes, J. Environ. Chem. Eng., 2017, 5, 4937-4947.

    32. [32] J. Beckers, G. Rothenberg, Dalton Trans., 2008, 6573-6578.

    33. [33] L. Zhou, L. R. Enakonda, M. Harb, Y. Saih, A. Aguilar-Tapia, S. Ould-Chikh, J. L. Hazemann, J. Li, N. Wei, D. Gary, P. Del-Gallo, J. M. Basset, Appl. Catal. B, 2017, 208, 44-59.

    34. [34] Y. Wang, A. M. Zhu, Y. Z. Zhang, C. T. Au, X. F. Yang, C. Shi, Appl. Catal. B, 2008, 81, 141-149.

    35. [35] K. V. R. Chary, P. V. R. Rao, V. Vishwanathan, Catal. Commun., 2006, 7, 974-978.

    36. [36] J. Z. Shyu, W. H. Weber, H. S. Gandhi, J. Phys. Chem., 1988, 92, 4964-4970.

    37. [37] L. J. Liu, B. Liu, L. H. Dong, J. Zhu, H. Q. Wan, K. Q. Sun, B. Zhao, H. Y. Zhu, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2009, 90, 578-586.

    38. [38] B. Azambre, L. Zenboury, F. Delacroix, J. V. Weber, Catal. Today, 2008, 137, 278-282.

    39. [39] T. Nakatsuji, T. Yamaguchi, N. Sato, H. Ohno, Appl. Catal. B, 2008, 85, 61-70.

    40. [40] X. L. Weng, X. X. Dai, Q. S. Zeng, Y. Liu, Z. B. Wu, J. Colloid Interface Sci., 2016, 461, 9-14.

    41. [41] L. J. Liu, Y. Chen, L. H. Dong, J. Zhu, H. Q. Wan, B. Liu, B. Zhao, H. Y. Zhu, K. Q. Sun, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2009, 90, 105-114.

    42. [42] M. Kantcheva, A. S. Vakkasoglu, J. Catal., 2004, 223, 352-363.

    43. [43] L. Y. Wang, Z. Q. Wang, X. X. Cheng, M. Z. Zhang, Y. K. Qin, C. Y. Ma, RSC Adv., 2017, 7, 7695-7710.

    44. [44] C. Sun, N. Zhao, Z. Zhuang, H. Wang, Y. Liu, X. Weng, Z. Wu, J. Hazard. Mater., 2014, 274, 376-383.

    45. [45] K. I. Hadjiivanov, G. N. Vayssilov, Adv. Catal., 2002, 47, 307-511.

    46. [46] L. J. Liu, J. E. Cai, L. Qi, Q. Yu, K. Q. Sun, B. Liu, F. Gao, L. Dong, Y. Chen, J. Mol. Catal. A, 2010, 327, 1-11.

    47. [47] L. Qi, Q. Yu, Y. Dai, C. J. Tang, L. J. Liu, H. L. Zhang, F. Gao, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2012, 119-120, 308-320.

    48. [48] F. Morales, E. de Smit, F. M. F. de Groot, T. Visser, B. M. Weckhuysen, J. Catal., 2007, 246, 91-99.

    49. [49] Q. Yu, X. J. Yao, H. L. Zhang, F. Gao, L. Dong, Appl. Catal. A, 2012, 423-424, 42-51.

    50. [50] H. Q. Wan, Z. Wang, J. Zhu, X. W. Li, B. Liu, F. Gao, L. Dong, Y. Chen, Appl. Catal. B, 2008, 79, 254-261.

    51. [51] W. C. Zhan, J. L. Wang, H. F. Wang, J. S. Zhang, X. F. Liu, P. F. Zhang, M. F. Chi, Y. L. Guo, Y. Guo, G. Z. Lu, S. H. Sun, S. Dai, H. Y. Zhu, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8846-8854.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  1243
  • HTML全文浏览量:  227
文章相关
  • 收稿日期:  2017-11-29
  • 修回日期:  2017-12-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章