催化学报 ›› 2025, Vol. 68: 376-385.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60155-5

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氯化氢对锑铈基催化剂在NH3-SCR反应中的促进作用及其机理研究

刘彩霞a, 黄朝俊b, 范柏余c, 张岩a, 房莉静a, 王雨禾a, 刘庆岭a,*(), 王卫超d, 陈延国e, 张亚伟e, 刘建成f, 董芳b, 张子印g   

  1. a天津大学环境科学与工程学院, 室内空气环境质量控制重点实验室, 先进内燃机全国重点实验室, 天津 300350
    b招商局海洋装备研究院有限公司, 广东深圳 518000
    c中国汽车技术研究中心有限公司, 中国汽车战略与政策研究中心, 天津 300300
    d南开大学环境科学与工程学院, 天津市环境修复与污染防治重点实验室, 天津 300350
    e天津泰达股份有限公司, 天津 300350
    f天津大学建筑工程学院, 天津 300072
    g廊坊市北辰创业树脂材料股份有限公司, 大气多污染物控制及治理新材料工程研究中心, 河北省树脂新材料技术创新中心, 河北廊坊 065000
  • 收稿日期:2024-09-03 接受日期:2024-09-24 出版日期:2025-01-18 发布日期:2025-01-02
  • 通讯作者: * 电子信箱: liuql@tju.edu.cn (刘庆岭).
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2022YFB3504100);国家重点研发计划项目(2022YFB3504102);河北省重大科技成果转化基金支持项目(2021004012A);河北省重大科技成果转化基金支持项目(22281401Z);国家自然科学基金(22276133);国家自然科学基金(22076136)

An unexpected reversal: The smart performance of hydrogen chloride on SbCe catalysts for NH3-SCR reaction

Caixia Liua, Chaojun Huangb, Baiyu Fanc, Yan Zhanga, Lijing Fanga, Yuhe Wanga, Qingling Liua,*(), Weichao Wangd, Yanguo Chene, Yawei Zhange, Jiancheng Liuf, Fang Dongb, Ziyin Zhangg   

  1. aTianjin Key Laboratory of Indoor Air Environmental Quality Control, School of Environmental Science and Technology and State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300350, China
    bChina Merchants Marine and Offshore Research Institute CO., LTD., Shenzhen 518000, Guangdong, China
    cChina Automotive Strategy and Policy Research Center, China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd, Tianjin 300300, China
    dTianjin Key Laboratory of Environmental Remediation & Pollution Control, MOE Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China
    eTianjin TEDA Co., Ltd., Tianjin 300350, China
    fSchool of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
    gNew Catalytic Materials Engineering Research Center for Air Pollutant Control, Hebei province New Resin Material Technology Innovation Center, Langfang City Beichen Entrepreneurship Resin Materials Incorporated Co., Ltd., Langfang 065000, Hebei, China
  • Received:2024-09-03 Accepted:2024-09-24 Online:2025-01-18 Published:2025-01-02
  • Contact: * E-mail: liuql@tju.edu.cn (Q. Liu).
  • Supported by:
    National Key R&D Program of China(2022YFB3504100);National Key R&D Program of China(2022YFB3504102);Hebei Province Major Scientific and Technological Achievement Transformation Fund(2021004012A);Hebei Province Major Scientific and Technological Achievement Transformation Fund(22281401Z);National Natural Science Foundation of China(22276133);National Natural Science Foundation of China(22076136)

摘要:

经济的快速发展和城市化进程的加快导致生活垃圾急剧增加. 为应对该挑战, 垃圾焚烧技术因其显著的减量效果而被广泛应用. 然而, 垃圾焚烧技术会产生氮氧化物等二次污染物, 这些污染物需要进行有效处理. 氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术是目前应用最为广泛的脱硝技术, 但垃圾焚烧产生的酸性气体HCl会导致催化剂失活. 因此, 深入研究HCl对NH3-SCR反应机理的影响, 对于设计高效脱硝催化剂具有重要意义. 本文制备出SbCe催化剂, 并对其进行性能研究, 旨在开发应用于垃圾焚烧发电厂低温脱硝活性好、抗酸性气体和水中毒能力优异的催化剂.
本文设计制备了一种双金属复合氧化物SbCeOx催化剂, 并研究NH3-SCR活性, 以评估HCl对反应机理的影响. 结合表征技术和密度泛函理论(DFT)计算, 探讨了催化剂的理化性质与其催化性能之间的关系, 深入研究了HCl对SbCeOx催化剂NH3-SCR反应机理的影响. 结果表明, 在HCl毒化过程中, HCl与吸附氧和表面晶格氧发生反应, 导致HCl在催化剂表面诱导生成的氯酸盐物种, 显著提高了催化剂的低温活性, 在155 °C时NO转化率提高了30%. 同时, 高温下N2选择性也得到明显改善, 在405 °C时NO转化率提高了17%. 研究结果和DFT结果均证实, 氯酸盐物种在Ce位点形成, 该过程中晶格氧被消耗, 促进了氧空位的产生, 提高了催化剂表面氧的交换能力. 此外, 氯酸盐物种还增强了NH3在Ce位点的吸附, 促进了Sb-OH的形成, 并减少了OH在这些位点的竞争性吸附. 吸附的NH3随后与残余的晶格氧反应, 在Ce位点上形成酰胺(-NH2)中间体, 同时在Sb位点上产生额外的氧空位和羟基. 酰胺中间体进一步与NO反应形成关键的[NH2NO]中间体, 这些中间体最终分解生成N2. 值得关注的是, 与未进行HCl气体毒化相比, 氯酸盐物种的存在增强了NH3的吸附和活化, 这对于后续催化反应至关重要. 实验结果表明, HCl处理促进了Sb3+-OH物种的生成, 气态NO也可以被氧化生成NO2. 生成的NO2随后与Brönsted酸位上的NH4+物种反应, 它能够与NH3发生反应生成Sb3+-O-NH4+, 提高催化剂表面Brönsted酸位点的酸性, 促进Brönsted酸位点配位NH4+物种与NO2反应生成N2和H2O, 从而显著提升了SbCe催化剂的N2选择性. 该发现与原位红外光谱和NH3程序升温脱附结果一致, 进一步证实了Brönsted酸位的酸度是NH3吸附的主要驱动力.
综上, 本研究揭示了HCl对NH3-SCR反应机理的影响, 为设计抗HCl中毒的高效脱硝催化剂提供了新思路. 未来研究可进一步探索不同酸性气体对催化剂性能的影响, 开发更加高效、稳定的脱硝催化剂, 为垃圾焚烧电厂的氮氧化物控制提供技术支持.

关键词: NH3选择性催化还原, 氯酸盐物种, SbCe催化剂, 密度泛函理论, 氯化氢

Abstract:

Understanding the influence of HCl on the NH3-selective catalytic reduction reaction mechanism is crucial for designing highly efficient denitrification catalysts. The formation of chlorate species on the surface of the synthesized SbCeOx catalyst, induced by HCl, significantly enhances low-temperature activity, as evidenced by a 30% increase in NO conversion at 155 °C. Furthermore, it improves N2 selectivity at high temperatures, with a notable 17% increase observed at 405 °C. Both experimental results and density functional theory calculations confirm that chlorate species form at Ce sites. This formation facilitates the creation of oxygen vacancies, boosting the oxygen exchange capacity. It also increases NH3 adsorption at the Ce sites, promotes the formation of Sb-OH, and reduces competitive OH adsorption on these sites. Notably, compared with the reaction mechanism without HCl, the presence of chlorate species enhances NH3 adsorption and activation, which is vital for subsequent catalytic reactions.

Key words: NH3-selective catalytic reduction, Chlorate species, SbCeOx catalyst, Density functional theory, HCl