Pd/TiO2催化剂上氢气选择性催化还原NOx的研究

doi:10.1016/S1872-2067(19)63297-3

催化学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (6): 849-855.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63297-3

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Pd/TiO₂催化剂上氢气选择性催化还原NO_x的研究

张祎旸^a,b, 曾慧^a,b, 贾斌^a,b, 王智华^a,b, 刘志明^a,b

a 北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室, 北京 100029;
b 北京化工大学能源环境催化北京市重点实验室, 北京 100029

收稿日期:2018-10-30 修回日期:2018-12-17 出版日期:2019-06-18 发布日期:2019-04-26
通讯作者: 刘志明
基金资助:
国家重点研发计划（2017YFC0210700）；国家自然科学基金（21876009，21611130170）；北京市自然科学基金（8162030）；中央高校基本科研业务费专项资金（XK1802-1）.

Selective catalytic reduction of NO_x by H₂ over Pd/TiO₂ catalyst

Yiyang Zhang^a,b, Hui Zeng^a,b, Bin Jia^a,b, Zhihua Wang^a,b, Zhiming Liu^a,b

a State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;
b Beijing Key Laboratory of Energy Environmental Catalysis, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China

Received:2018-10-30 Revised:2018-12-17 Online:2019-06-18 Published:2019-04-26
Contact: S1872-2067(19)63297-3
Supported by:
The work was supported by the National Key R&D Program of China (2017YFC0210700), the National Natural Science Foundation of China (21876009, 21611130170), the Beijing Municipal Natural Science Foundation (8162030), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (XK1802-1).

摘要/Abstract

摘要：

氮氧化物（NO_x）的控制是当前环境催化领域研究的热点.氢气选择性催化还原NO_x（H₂-SCR）近年来引起研究者的高度关注.在H₂-SCR反应中，NO_x可在较低的温度（100–300℃）下被还原，并且过量氢气会与氧气反应生成水，不会导致二次污染.研究表明，Pd基催化剂在H₂-SCR反应中具有良好的活性，并且其催化活性与Pd的化学价态密切相关，Pd⁰较Pd²⁺具有更高的催化活性.
鉴于Pd的化学价态与催化剂的制备方法密切相关，本文通过浸渍法、沉积–沉淀法和聚乙二醇还原法分别制备了Pd/TiO₂（IM）、Pd/TiO₂（DP）和Pd/TiO₂（PR）催化剂，研究了不同方法制得的Pd/TiO₂催化剂对H₂-SCR的催化性能.实验结果表明，与Pd/TiO₂（IM）和Pd/TiO₂（DP）相比，Pd/TiO₂（PR）催化剂的催化活性明显提高，并且温度窗口显著拓宽.
为了揭示Pd/TiO₂（PR）催化剂具有高活性的原因，对Pd/TiO₂（IM）、Pd/TiO₂（DP）和Pd/TiO₂（PR）催化剂进行了一系列分析表征.XRD分析表明，在三种不同方法制备的Pd/TiO₂催化剂上，活性组分Pd高度分散在TiO₂表面.TEM结果也证实了Pd高度分散在TiO₂表面，并且在Pd/TiO₂（PR）催化剂上，Pd颗粒粒径（1.02nm）最小，这可能是Pd/TiO₂（PR）催化剂具有高活性的原因之一.XPS分析表明，在Pd/TiO₂（IM）和Pd/TiO₂（DP）催化剂中，Pd主要以Pd²⁺的形式存在；而在Pd/TiO₂（PR）中，Pd则以Pd⁰的形式存在，高分散的Pd⁰有利于H₂-SCR反应的进行.同时，Pd/TiO₂（PR）中表面吸附氧（O_α）含量明显高于Pd/TiO₂（IM）和Pd/TiO₂（DP），较高含量的O_α能有效促进NO_x的吸附与活化，从而促进NO_x还原反应的进行.
通过原位漫反射红外光谱（In-situ DRIFTS）分析发现，与Pd/TiO₂（IM）催化剂上NO+O₂稳态吸附的光谱相比，Pd/TiO₂（PR）催化剂上螯合亚硝酸根和单齿亚硝酸根的特征峰明显增强.同时观测到Pd⁰上吸附的单齿亚硝酰基特征峰，由此进一步证实在Pd/TiO₂（PR）催化剂中Pd以Pd⁰的形式存在.NO+O₂ → H₂（或H₂+O₂）→ NO+O₂瞬态吸附研究表明，Pd/TiO₂（PR）催化剂上吸附的NO_x具有高的反应活性，并且吸附态NO_x和H₂（或H₂+O₂）反应可生成中间产物NH₃，NH₃可进一步与NO_x反应.Pd/TiO₂（PR）催化剂上高分散的Pd⁰以及在反应条件下表面生成的更多螯合亚硝酸根和单齿亚硝酸根反应中间体是其具有高H₂-SCR催化性能的主要原因.

关键词: 氮氧化物, 氢气选择性催化还原, Pd/TiO₂, 原位漫反射红外光谱

Abstract:

Pd/TiO₂ catalysts prepared by three different methods (impregnation, deposition-precipitation, and polyethylene glycol reduction) were investigated in the selective catalytic reduction of NO_x by H₂ (H₂-SCR). It was found that the preparation method exerted a significant effect on the activity of the Pd/TiO₂ catalyst, and that the catalyst prepared by the polyethylene glycol reduction method exhibited the highest activity in the reduction of NO_x. Characterization of the catalyst showed that, in the Pd/TiO₂ catalyst prepared by the polyethylene glycol reduction method, the existing Pd species was Pd⁰, which is the desirable species for the H₂-SCR of NO_x. In situ DRIFTS studies demonstrated that over this catalyst, more chelating nitrite and monodentate nitrite species formed, both of which are reactive intermediates in the H₂-SCR of NO_x. All of these factors account for the high activity of Pd/TiO₂ prepared by the polyethylene glycol reduction method.

Key words: Nitrogen oxides, H₂-SCR, Pd/TiO₂, In-situ DRIFTS

张祎旸, 曾慧, 贾斌, 王智华, 刘志明. Pd/TiO₂催化剂上氢气选择性催化还原NO_x的研究[J]. 催化学报, 2019, 40(6): 849-855.

Yiyang Zhang, Hui Zeng, Bin Jia, Zhihua Wang, Zhiming Liu. Selective catalytic reduction of NO_x by H₂ over Pd/TiO₂ catalyst[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(6): 849-855.

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Pd/TiO₂催化剂上氢气选择性催化还原NO_x的研究

Selective catalytic reduction of NO_x by H₂ over Pd/TiO₂ catalyst

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