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