表面物理化学性质对不同晶型MnO2的NH3-SCR活性影响

公丕军 谢峻林 方德 韩达 何峰 李凤祥 齐凯

引用本文: 公丕军,  谢峻林,  方德,  韩达,  何峰,  李凤祥,  齐凯. 表面物理化学性质对不同晶型MnO2的NH3-SCR活性影响[J]. 催化学报, 2017, 38(11): 1925-1934. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62922-X shu
Citation:  PiJun Gong,  JunLin Xie,  De Fang,  Da Han,  Feng He,  FengXiang Li,  Kai Qi. Effects of surface physicochemical properties on NH3-SCR activity of MnO2 catalysts with different crystal structures[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(11): 1925-1934. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62922-X shu

表面物理化学性质对不同晶型MnO2的NH3-SCR活性影响

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51502221).

摘要: 氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,给环境和人类健康带来巨大危害.NH3选择性催化还原(NH3-SCR)技术是处理氮氧化物最有效的方法之一,现已被广泛用于氮氧化物的处理,其中SCR催化剂是该技术的核心.
锰基催化剂具有相对较好的低温催化活性,而其中MnO2的催化活性最为突出.二氧化锰可以形成多种晶型,如α,β,δ和γ.晶相结构可显著影响催化活性,不同晶型的MnO2具有不同的催化性能,其在电化学催化和CO催化方面已经得到广泛应用和研究.然而对于不同晶型MnO2的NH3低温选择催化还原NOx的催化活性和催化机理的研究特别少.α-,β-,γ-和δ-MnO2具有不同的晶型尺寸,并在气体吸附、气体扩散和催化反应过程中表现出较大差异.因此,有必要揭示不同MnO2晶型表面物理化学性质与SCR催化活性之间的关系.
本文成功制备出四种不同晶型的纳米MnO2(α,β,δ和γ型)催化剂,并测试了其NH3低温选择催化活性.此外,对催化剂进行了XRD,SEM,Raman,TG,BET,NH3-TPD,XPS和H2-TPR等一系列测试表征,探究了导致不同晶型MnO2的NH3催化还原NOx差异的主要原因.结果表明,四种不同晶型纳米MnO2的NH3-SCR催化活性顺序为γ-MnO2 > α-MnO2 > δ-MnO2 > β-MnO2.γ-MnO2和α-MnO2上的NOx转化率在140-200℃范围内可达90%以上,但β-MnO2在200℃只有40%的NOx转化率.分析表明,γ-MnO2和α-MnO2的纳米线形貌具有较好的分散性,导致它们的比表面积较高,这为活性位点提供了更多的分散空间,有利于活性气体分子的吸附和催化过程的进行.H2-TPR和NH3-TPD结果显示,γ-MnO2和α-MnO2比其他两种晶型的MnO2催化剂具有较好的可还原性和更多更强的酸性位点.XPS分析结果表明,在γ-MnO2和α-MnO2表面存在更多的化学吸附氧.基于上述这些有利的物理化学性质,γ-MnO2和α-MnO2催化剂显示出较好的低温NH3-SCR活性.尽管δ-MnO2的比表面积较小,但是NH3-TPD结果显示其层状形貌的纳米晶体表面分散有较多的酸性位点,从而有效提升了其催化效果,同时其较好的氧化还原性能也有助于催化性能的改善.

English

    1. [1] X. Y. Shi, F. D. Liu, L. J. Xie, W. P. Shan, H. He, Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 3293-3298.

    2. [2] H. Y. Chen, E. M. EI-Malki, X. Wang, R. A. van Santen, W. M. H. Sachtler, J. Mol. Catal. A, 2000, 162, 159-174.

    3. [3] S. Roy, M. S. Hegde, G. Madras, Appl. Energy, 2009, 86, 2283-2297.

    4. [4] W. P. Shan, F. D. Liu, H. He, X. Y. Shi, C. B. Zhang, ChemCatChem, 2011, 3, 1286-1289.

    5. [5] J. H. Li, R. H. Zhu, Y. S. Cheng, C. K. Lambert, R. T. Yang, Environ. Sci. Technol., 2010, 44, 1799-1805.

    6. [6] M. V. Twigg, Appl. Catal. B, 2007, 70, 2-15.

    7. [7] X. S. Liu, X. D. Wu, T. F. Xu, D. Weng, Z. C. Si, R. Ran, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1340-1346.

    8. [8] W. C. Yua, X. D. Wu, Z. C. Si, D. Weng, Appl. Surf. Sci., 2013, 283, 209-214.

    9. [9] J. A. Dumesic, H. Topsøe, Y. Chen, T. Slabiak, J. Catal., 1996, 163, 409-417.

    10. [10] G. Busca, L. Lietti, G. Ramis, F. Berti, Appl. Catal. B, 1998, 18, 21-36.

    11. [11] T. H. Vuong, J. Radnik, E. Kondratenko, M. Schneider, U. Armbrust-er, A. Brückner, Appl. Catal. B, 2016, 197, 159-167.

    12. [12] H. Z. Chang, X. Y. Chen, J. H. Li, L. Ma, C. Z. Wang, C. X. Liu, J. W. Schwank, J. M. Hao, Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 5294-5301.

    13. [13] Z. X. Ma, H. S. Yang, F. Liu, X. B. Zhang, Appl. Catal. A. 2013, 467, 450-455.

    14. [14] L. J. Zhang, S. P. Cui, H. X. Guo, X. Y. Ma, X. G. Luo, J. Mol. Catal. A, 2014, 390, 14-21.

    15. [15] G. S. Qi, R. T. Yang, R. Chang, Appl. Catal. B, 2004, 51, 93-106.

    16. [16] R. H. Gao, D. S. Zhang, P. Maitarad, L. Y. Shi, T. Rungrotmongkol, H. R. Li, J. P. Zhang, W. G. Cao, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 10502-10511.

    17. [17] X. Xiang, P. F. Wu, Y. Cao, L. Cao, Q. Y. Wang, S. T. Xu, P. Tian, Z. M. Liu, Chin. J. Catal., 2017, 38, 918-927.

    18. [18] M. Wallin, S. Forser, P. Thormählen, M. Skoglundh, Ind. Eng. Chem. Res., 2004, 43, 7723-7731.

    19. [19] D. A. Peña, B. S. Uphade, P. G. Smirniotis, J. Catal., 2004, 221, 421-431.

    20. [20] F. Kapteijn, L. Singoredjo, A. Andreini, J. A. Moulijn, Appl. Catal. B, 1994, 3, 173-189.

    21. [21] D. Fang, F. He, D. Mei, Z. Zhang. J. L. Xie, H. Hu, Catal. Commun., 2014, 52, 45-48.

    22. [22] D. Fang, F. He, X. Q. Liu, K. Qi, J. L. Xie, F. X. Li, C. Q. Yu, Appl. Surf. Sci., 2018, 427, 45-55.

    23. [23] D. Fang, J. L. Xie, H. Hu, Z. Zhang, F. He, Y. Zheng, Q. Zhang, Fuel Process. Technol., 2015, 134, 465-472.

    24. [24] D. S. Zheng, S. X. Sun, W. L. Fan, H. Y. Yu, C. H. Fan, G. X. Cao, Z. L. Yin, X. Y. Song, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 16439-16443.

    25. [25] T. Uematsu, Y. Miyamoto, Y. Ogasawara, K. Suzuki, K. Yamaguchi, N. Mizuno, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 222-233.

    26. [26] Y. H. Dai, L. Chen, V. Babayan, Q. L. Cheng, P. Saha, H. Jiang, C. Z. Li, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 21337-21342.

    27. [27] Y. X. Wang, S. Indrawirawan, X. G. Duan, H. Q. Sun, H. M. Ang, M. O. Tadé, S. B. Wang, Chem. Eng. J., 2015, 266, 12-20.

    28. [28] B. Y. Bai, Q. Qiao, J. H. Li, J. M. Hao, Chin. J. Catal., 2016, 37, 27-31.

    29. [29] Y. Liu, C. Luo, J. Sun, H. Z. Li, Z. B. Sun, S. Q. Yan, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 5674-5682.

    30. [30] J. H. Zhang, Y. B. Li, L. Wang, C. B. Zhang, H. He, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 2305-2313.

    31. [31] X. F. Tang, J. H. Li, L. Sun, J. M. Hao, Appl. Catal. B, 2010, 99, 156-162.

    32. [32] W. F. Wei, X. W. Cui, W. X. Chen, D. G. Ivey, Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1697-1721.

    33. [33] J. B. Jia, P. Y. Zhang, L. Chen, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 5841-5847.

    34. [34] D. Zhan, Q. G. Zhang, X. H. Hu, T. Y. Peng, RSC Adv., 2013, 3, 5141-5147.

    35. [35] M. Huang, F. Li, F. Dong, Y. X. Zhang, L. L. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 21380-21423.

    36. [36] X. F. Hu, X. P. Han, Y. X. Hu, F. Y. Cheng, J. Chen, Nanoscale, 2014, 6, 3522-3525

    37. [37] Q. Li, Z. L. Wang, G. R. Li, R. Guo, L. X. Ding, Y. X. Tong, Nano Lett., 2012, 12, 3803-3807.

    38. [38] W Tian, H. S. Yang, X. Y. Fan, X. B. Zhang, J. Hazard. Mater., 2011, 188, 105-109.

    39. [39] X. L. Tang, J. M. Hao, H. H. Yi, J. H. Li, Catal. Today, 2007, 126, 406-411.

    40. [40] Y. S. Wu, S. Li, Y. Cao, S. T. Xing, Z. C. Ma, Y. Z. Gao, Mater. Lett., 2013, 97, 1-3.

    41. [41] J. Y. Luo, J. J. Zhang, Y. Y. Xia, Chem. Mater., 2006, 18, 5618-5623.

    42. [42] Q. J. Wang, H. P. Zhang, L. J. Fu, B. Wang, Y. P. Wu, Electrochem. Commun., 2007, 9, 1873-1876.

    43. [43] H. T. Guan, G. Chen, S. B. Zhang, Y. D. Wang, Mater. Chem. Phys., 2010, 124, 639-645.

    44. [44] J. G. Zhao, J. Z. Yin, S. G. Yang, Mater. Res. Bull., 2012, 47, 896-900.

    45. [45] Y. M. Dong, H. X. Yang, K. He, S. Q. Song, A. M. Zhang, Appl. Catal. B, 2009, 85, 155-161.

    46. [46] T. Gao, H. Fjellvag, P. Norby, Anal. Chim. Acta., 2009, 648, 235-239.

    47. [47] E. Widjaja, J. T. Sampanthar, Anal. Chim. Acta., 2007, 585, 241-245.

    48. [48] S. L. Suib, Acc. Chem. Res., 2008, 41, 479-487.

    49. [49] E. R. Stobbe, B. A. de Boer, J. W. Geus, Catal. Today, 1999, 47, 161-167.

    50. [50] Z. M. Wang, S. Tezuka, H. Kanoh, Catal. Today, 2001, 68, 111-118.

    51. [51] C. Wang, L. Sun, Q. Q. Cao, B. Q. Hu, Z. W. Huang, X. F. Tang, Appl. Catal. B, 2011, 101,598-605.

    52. [52] J. L. Xie, D. Fang, F. He, J. F. Chen, Z. B. Fu, X. L. Chen, Catal. Com-mun., 2012, 28, 77-81.

    53. [53] W. Xiao, D. C. Wang, X. W. Lou, J. Phys. Chem C, 2010, 114, 1694-1700.

    54. [54] R. D. Zhang, W. Yang, N. Luo, P. X. Li, Z. G. Lei, B. H. Chen, Appl. Catal. B, 2014, 146, 94-104.

    55. [55] S. Roy, B. Viswanath, M. S. Hegde, G. Madras, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 6002-6012.

    56. [56] S. J. Lee, A. Gavriilidis, Q. A. Pankhurst, A. Kyek, F. E. Wagner, P. C. L Wong, K. L. Yeung, J. Catal., 2001, 200, 298-308.

    57. [57] F. Larachi, J. Pierre, A. Adnot, A. Bernis, Appl. Surf. Sci., 2002, 195, 236-250.

    58. [58] H. Chen, A. Sayari, A. Adnot, F. V. Larachi, Appl. Catal. B, 2001, 32, 195-204.

    59. [59] Z. B. Wu, R. B. Jin, Y. Liu, H. Q. Wang, Catal. Commun., 2008, 9, 2217-2220.

    60. [60] M. Kang, E. D. Park, J. M. Kim, J. E. Yie, Appl. Catal. A, 2007, 327, 261-269.

    61. [61] W. P. Shan, F. D. Liu, H. He, X. Y. Shi, C. B. Zhang, Chem. Commun., 2011, 47, 8046-8048.

    62. [62] X. Y. Fan, F. M, Qiu, H. S. Yang, W. Tian, T. F. Hou, X. B. Zhang, Catal. Commun., 2011, 12, 1298-1301.

    63. [63] B. Thirupathi, P. G. Smirniotis, J. Catal., 2012, 288, 74-83.

    64. [64] D. Fang, J. L. Xie, H. Yang, F. He, Z. B. Fu, H. Hu, Chem. Eng. J., 2015, 271, 23-30.

    65. [65] F. D. Liu, H. He, Y. Ding, C. B. Zhang, Appl. Catal. B, 2009, 93, 194-204.

    66. [66] H. J. Albering, in:J. O. Besenhard ed., Handbook of Battery Materi-als, McGraw-Hill, New York, 1999, 85-112.

    67. [67] M. M. Thackeray, Progr. Solid State Chem., 1997, 25, 1-71.

    68. [68] Y. Chabre, J. Pannetier, Progr. Solid State Chem., 1995, 23, 1-130.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  1191
  • HTML全文浏览量:  111
文章相关
  • 收稿日期:  2017-08-24
  • 修回日期:  2017-09-25
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