用于NH3-SCR的高硅铝比Cu/LTA催化剂的制备及其催化机理的研究
批准号:
22106101
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:
王爱勇
依托单位:
学科分类:
大气污染与控制化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王爱勇
中文摘要
氨选择性催化还原技术因其高效、环保、成本较低等优势被广泛应用于柴油车尾气中氮氧化物的净化处理。高硅铝比Cu/LTA分子筛催化剂在NH3-SCR反应中表现出优异的水热稳定性和良好的催化性能,为稀燃氮氧化物催化还原研究指明了一个新的方向。然而低温活性、副产物生成以及催化剂中毒仍是Cu/LTA催化剂实际应用中亟需解决的关键问题。本项目拟通过有效调控催化剂中Cu活性位点分布,研究催化剂制备的关键工艺参数对Cu活性位点分布的影响,探明催化剂的物化性质与其低温催化性能、副产物生成、水热稳定性以及中毒机制的关联规律;通过分析催化活性组分差异对催化反应的影响,研究反应物在不同反应阶段的催化反应路径和催化活性中心,结合运用多种物化表征手段及理论计算,推断低温催化反应过程中的活性中心、O2的活化路径及催化反应机理。本项目为Cu/LTA催化材料设计开发的关键参数提供重要的实验和理论研究基础。
英文摘要
Ammonia selective catalytic reduction technology is widely used in the elimination of nitrogen oxides in diesel vehicle exhaust due to its high efficiency, environmental protection, and low cost. The Cu/LTA zeolite catalyst with high silicon-to-aluminum ratio exhibits excellent hydrothermal stability and good catalytic performance in the NH3-SCR reaction, which points out a new direction for the study of lean nitrogen oxide catalytic reduction. However, low-temperature activity, by-product generation, and catalyst poisoning are still key issues that need to be resolved in the practical application of Cu/LTA catalysts. This project intends to effectively control the distribution of Cu active sites in the catalyst, study the influence of the key process parameters of catalyst preparation on the distribution of Cu active sites, and explore the correlation between the physical and chemical properties of the catalyst and its low-temperature catalytic performance, by-products, hydrothermal stability and poisoning mechanism; by analyzing the influence of the difference of catalytic active components on the catalytic reaction, the catalytic reaction path and catalytic active center of the reactants in different reaction stages are studied, and a variety of physical and chemical characterization methods and theoretical calculations are combined to infer the active center, O2 activation path and catalytic reaction mechanism in the low-temperature catalytic reaction process. This project provides an important experimental and theoretical research foundation for the key parameters of Cu/LTA catalytic material design and development.
柴油车NOx的排放及由其产生的诸多环境问题对生态可持续发展和人类身体健康造成了严重的威胁。NH3选择性催化还原NOx(NH3-SCR)是目前主流的柴油车尾气脱硝技术,但水热稳定性差以及抗磷中毒能力弱是目前常规的商业催化剂存在的主要问题。针对这些问题,本项目制备了高水热稳定性的Cu/LTA低温脱硝催化剂,通过原位漫反射红外光谱等表征,阐述了磷中毒对活性中心的影响,揭示了水热老化处理能抑制磷中毒的机制。主要取得以下三个方面的研究成果:(1)相比常规的Cu/CHA催化剂,高温水热老化处理对Cu/LTA催化剂的结构几乎没有影响,即使是在900 °C水热老化,其对NH3-SCR的性能几乎不变。磷中毒会导致严重的Z-CuOH位点的损失,这影响了其对NH3和NO物种的吸附与活化。而水热老化处理会使一部分与Cu位点结合的PO3-/PO43-物种转移到Al位点,从而再生活性中心,提高了对NH3-SCR的性能;(2)通过原位漫反射红外光谱揭示了在NH3的低温吸附与活化过程中,Z-Cu(OH)对NH3的不饱和配位(Z-[Cu(OH)(NH3)x]+(x<3))会表现出与B-NH4+类似的性质,其提供NH3的能力影响了低温NH3-SCR反应的性能。另外,Z2-Cu也可以与NO反应生成新的B-NH4+,并进一步为流动的Cu物种提供NH3,从而参与反应;(3)设计了利用碱金属抑制磷中毒和水热老化脱铝的策略,发现K的存在提高了催化剂的高温NH3-SCR活性,使其在225-600 °C时的活性达到99%以上。同时,K主要存在于CHA笼中的Brӧnsted酸位点,这导致部分Z-[Cu(OH)]+转化为Z2-Cu2+,减少了由于水热老化而造成的脱铝。此外,其也抑制P物种与Z-[Cu(OH)]+物种相互作用形成Cu-PO3-/PO43-物种,从而提高了P毒化后的催化剂的低温活性。在 SCI 收录刊物上发表论文 11 篇,核心研究成果发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy、Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、Journal of Rare Earths、Microporous and Mesoporous Materials等国际重要学术期刊上。
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