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可控表面化学性MnOx@Ny-AC催化剂构建及其低温焦化烟气脱硝增强机制

批准号:
52104392
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
姚璐
依托单位:
学科分类:
资源循环利用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
姚璐

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
焦化烟气脱硝(NOx)是钢铁行业实现超低排放的重要任务之一。然而,焦化烟气较低的温度(180-260℃)和复杂易波动的成分使得现有SCR脱硝催化剂难以稳定高效的工作,极大限制了焦化烟气的治理。调控催化剂表面化学性是提高其催化性能和稳定性的有效途径。本课题拟制备表面化学性(吸附性、酸碱性和氧化还原性等)可控的MnOx@Ny-AC催化剂,通过氮掺杂和活性金属MnOx负载调控催化剂所形成的含氮官能团种类、缺陷形态、酸性位和暴露晶面等,并借助多种表征技术深入分析其对催化剂表面化学性的单一影响和协同作用,利用原位表征手段和理论计算从分子原子层面探究其对催化剂低温SCR脱硝性能的增强机制。构建出具有可控表面化学性的MnOx@Ny-AC催化体系的普适性制备方法,并阐释主要催化剂表面化学性调控途径对其低温脱硝性能的贡献机制。本项目的完成有望为可控表面化学性催化剂在低温脱硝领域的进一步开发和应用提供新思路。
英文摘要
Coking flue gas de-NOx is one of the important tasks to achieve ultra-low emissions for the iron and steel industry. The emission characteristics of coking flue gas, such as low temperature (180-260℃) and complex and changeable composition, all make de-NOx difficult greatly. It is an efficient method to adjust surface chemical properties to improve catalytic performance of the catalyst. We will prepare MnOx@Ny-AC catalyst with controllable surface chemical properties (e.g., adsorption property, surface acidity, redox property, et al.). The species of nitrogen functional group and defect, acid sites and specific exposed crystal plane of catalyst is adjusted via doping nitrogen and supporting MnOx. Its single influence and synergistic effect on surface chemical properties are investigated deeply with various characterization techniques. Its enhanced low-temperature de-NOx mechanism is explored with in situ characterization means and theoretical calculation at molecular and atomic level. Besides, the common method is proposed to prepare MnOx@Ny-AC catalyst with controllable surface chemical properties, and the contribution of regulation approaches to the de-NOx performance of catalyst at low temperature are analyzed. The completion of this project will provide new ideas for developing and applying the catalyst with controllable surface chemistry in the field of low-temperature de-NOx.
针对焦化烟气低温、成分复杂导致传统SCR脱硝催化剂效率低、稳定性差的难题,本项目以“表面化学性调控”为核心策略,通过氮掺杂与MnOx负载协同优化,成功构建了吸附性、酸碱性及氧化还原性可控的氮掺杂含锰活性焦催化体系。研究以煤基活性焦为载体,通过氮掺杂工艺优化(氮碳比10%、三聚氰胺:尿素=2:1、600℃焙烧7h)和锰氧化物负载(0.08 mol/L KMnO₄ + 0.12 mol/L MnSO₄·H₂O,pH=11.5,负载量10%),制备出高性能催化剂Mn@NOAC-18-C₃P₁₁.₅R₁₀,其在200℃时NO转化率达98%,N₂选择性超98%,300℃下连续运行500分钟转化率仅衰减1%。深入表征表明,吡啶氮通过孤对电子效应增强材料极性,促进NO化学吸附并诱导氧空位生成,加速NO氧化为活性产物;锰氧化物以高活性价态主导氧化还原循环,协同晶格氧显著提升氧迁移能力,实现低温脱硝性能突破。结合原位红外光谱与瞬态响应实验,揭示了氮掺杂与锰负载的协同作用机制:低温脱硝以气相NO与吸附态-NH₂直接反应生成中间体NH₂NO快速分解为N₂和H₂O为主,即E-R机理;同时吸附态NH₄⁺与表面硝酸盐反应生成NH₄NO₂中间体,即L-H机理辅助。氮掺杂通过调控MnOx分散度与价态分布,促进NO氧化为NO₂,使快速SCR反应速率提升40%,而吡啶氮与Mn³⁺/Mn⁴⁺的电子协同效应使反应活化能降低35%。针对焦化烟气中H₂O、SO₂及碱金属的协同毒化问题,阐明了环境适应性调控规律:H₂O可逆吸附导致活性短暂下降,而SO₂(100 ppm)化学吸附生成MnSO₄引发不可逆失活,H₂O+SO₂共存时H₂SO₄气溶胶沉积加剧孔道堵塞,;碱金属(K/Na)通过堵塞孔道、抑制氧空位及削弱酸性位劣化性能。通过孔径优化与表面酸性位强化,催化剂抗中毒能力显著提升。基于DFT构建催化剂分子模型,揭示了氮掺杂边缘结构对NO/NH₃吸附的电子调控机制,提出“氮-锰-氧”活性位点协同设计原则,形成可控表面化学性催化剂的普适性制备方法。项目发表SCI论文6篇,申请发明专利2项,攻克了低温SCR催化剂活性低、稳定性差及环境适应性弱等难题,为钢铁焦化行业烟气超低排放提供了有效解决方案,推动工业烟气治理技术向低温化、高效化迈进。
限域氮掺杂碳基催化剂的构筑及其焦化烟气脱硝增强机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    姚璐
  • 依托单位:
基于LDHs限域可控构筑氮掺杂碳基催化剂及其焦化烟气脱硝性能研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    姚璐
  • 依托单位:
掺氮活性焦催化剂表面化学性可控构建及其低温焦化烟气脱硝机理
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    姚璐
  • 依托单位:
国内基金
海外基金