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具有抗硫抗水性能的以封装多酸的ZIF薄膜包覆的金属氧化物中空纳米材料构筑及其低温SCR脱硝性能研究

批准号:
22078176
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
王睿
依托单位:
学科分类:
资源、环境与生态化工
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王睿

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
环境友好非钒过渡金属氧化物因其优异的低温SCR活性受到广泛关注,但烟气中水蒸气和SO2引起的中毒问题使催化剂寿命缩短,极大限制其推广应用。为实现金属氧化物催化剂的脱硝应用,提高抗水抗硫性能是关键。本项目拟通过优化制备条件,创造性地构筑包覆有POMs⊂ZIF功能薄膜的过渡金属氧化物中空纳米材料,用于含SO2和H2O氛围中NOx的NH3-SCR脱除。一方面,原位装配POMs的纳米化ZIF薄膜具有更大的比表面积和酸性,表现出更强的NOx和NH3吸附能力。POMs⊂ZIF薄膜的这种“分子阱”作用,可以加快反应速率,提高复合材料的低温活性。另一方面,ZIF的憎水性和POMs的憎SO2特性使POMs⊂ZIF薄膜表现出类皮肤屏障作用,保护活性位点,延长使用寿命。通过深入研究POMs⊂ZIF薄膜与中空纳米金属氧化物在SCR反应的协同作用机制和过程动力学,为新型高抗硫抗水低温脱硝催化剂设计与应用奠定基础。
英文摘要
Environmentally friendly non-vanadium transition metal oxides have received extensive attention due to their excellent low temperature SCR activity, however, the poisoning effect of H2O and SO2 in the flue gas could shorten the life of the catalysts, greatly holding back their potential applications in the deNOx field. In order to break through the bottleneck, improving the water and sulfur resistance of the materials is the key element to improve the life of the catalysts. This work intends to creatively construct hollow nanosized transition metal oxide materials coated with POMs⊂ZIF compound film by optimizing preparation conditions for deNOx by NH3-SCR. On the one hand, the nanosized film with polyoxometalate in-situ assembled in the cage of ZIF possesses greater specific surface area and acidity, showing stronger NOx and NH3 adsorption capacity. The "molecular trap" effect of POMs⊂ZIF film can speed up the reaction rate and improve the low temperature activity of the composites. On the other hand, the integration of hydrophobic ZIF and POMs with anti-sulfur ability qualifies POMs⊂ZIF super film to behave as a “skin-like barrier” to protect the active sites on the oxide surface, which extends their useful life. Thanks to the in-depth study of the synergistic mechanism of POMs⊂ZIF super film and hollow nano-metal oxides for deNOx, it would provides theoretical supplement and technical support for the design of novel low-temperature denitrification catalysts with high resistance to SO2 and H2O in practical application.
随着工业化进程的加快,以及对不可再生化石燃料需求和消耗的不断增加,导致大气中NOx的显著增加,这些污染物对人类呼吸系统和社会生活与生态系统的负面影响促使研究者寻求有效的技术来控制和处理NOx。NH3选择性催化还原作为一种极具吸引力的完全脱除NOx的技术,其实际应用的关键是探索具有高催化反应活性和低温稳定性的先进催化剂。近年来,超强Brønsted酸性的多金属氧酸盐(POMs),高化学/热稳定性的沸石咪唑骨架(ZIFs),大比表面积的空心结构过渡金属氧化物作为新型催化剂备受关注。本项目主要围绕ZIFs(MOFs)/ POMs/金属氧化物单一或复合体系开展,所得主要研究成果如下所述。.空心Mn-Fe复合纳米立方体表现出优异的NOx吸附性能(200 °C时超过2.16 mmol g-1)。存在的Mn3+和Fe2+物种有助于NOx吸附,气态O2可以加速NO活化,以形成更容易吸附的NO2。表面NO2进一步扩散并以亚硝酸盐和硝酸盐的形式储存在Mn-Fe复合材料的主体中。多孔中空CexNb1-x纳米球氧化物中Nb2O5和CeO2的协同相互作用促进了氧缺陷的增加和酸性位的改善,从而有利于催化活性。在250-450 ℃的宽温度范围内NOx转化率超过98%,抗H2O和SO2催化稳定性高。磷钨酸改性多孔 MnFe 氧化物,磷钨酸改性CeO2空心球均表现出优异的脱硝活性,得益于HPW对催化剂的表面酸性和氧化还原性能的调节。将POMs客体包封在ZIF-67中,脱硝活性显著提高,活性温度窗口明显加宽,NH3的过度氧化受到抑制。POMs⊂ZIF纳米薄膜包覆Co3O4三元纳米材料在200℃获得了最高的NOx转化率(83.6%),比纯Co3O4在相同温度下提高了近一倍。该材料表现出优异的抗硫性能,归因于SO2增加了酸性位点的数量,从而可以吸附更多的NH3,并且抑制了氨氧化能力。双齿硝酸盐、桥接硝酸盐、硝基化合物是主要的NO吸附物种。而离子态NH4+、吸附活化态NH3以及酰胺类物质是主要的NH3吸附物种。HPW@UiO-66纳米薄膜包覆CeO2空心球三元材料的NOx转化率比空心CeO2提高了40%。同时,复合材料表现出优越的稳定性、氮气选择性、抗H2O和SO2能力。本研究为设计和制备多功能纳米复合材料实现NOx高效选择性催化还原为N2提供了新思路。
基于多酸功能化离子液体/低共熔溶剂的可再生气体高效脱硫与硫资源回收新体系及过程原理研究
  • 批准号:
    22278248
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    王睿
  • 依托单位:
ZIFs限域多酸协同催化脱硝性能的DFT理论分析与实验研究
  • 批准号:
    22111530286
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    20万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    王睿
  • 依托单位:
基于多酸的绿色可再生液相氧化脱硫与硫回收新方法研究
  • 批准号:
    21276144
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    王睿
  • 依托单位:
多酸功能模块组装型超深度脱硫催化剂制备与脱硫原理研究
  • 批准号:
    21076116
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    38.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    王睿
  • 依托单位:
国内基金
海外基金