WO3改性CeO2-TiO2催化剂的低温NH3-NO/NO2 SCR活性和机理研究

陈磊 翁鼎 汪家道 翁端 曹丽

引用本文: 陈磊,  翁鼎,  汪家道,  翁端,  曹丽. WO3改性CeO2-TiO2催化剂的低温NH3-NO/NO2 SCR活性和机理研究[J]. 催化学报, 2018, 39(11): 1804-1813. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63129-8 shu
Citation:  Lei Chen,  Ding Weng,  Jiadao Wang,  Duan Weng,  Li Cao. Low-temperature activity and mechanism of WO3-modified CeO2-TiO2 catalyst under NH3-NO/NO2 SCR conditions[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(11): 1804-1813. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63129-8 shu

WO3改性CeO2-TiO2催化剂的低温NH3-NO/NO2 SCR活性和机理研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51775296,51375253).

摘要: 在铈钛基NH3-SCR催化材料中,改性元素对催化材料的酸性位和氧化还原性能的影响较大。本文采用过量浸渍法分别制备了CeO2-TiO2(CeTi)和CeO2/WO3-TiO2(CeWTi)催化剂,研究了CeWTi催化材料结构、酸性位及氧化还原性能对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响.结果发现,CeTi和CeWTi样品均有较优异的NH3-NO/NO2 SCR催化性能,后者略高.WO3的加入增加了催化材料的表面酸性,对其氧化还原性能影响不大.通过对反应中间物种NH4NO3的研究,发现NH4NO3的分解主要与氧化还原性能相关,而NO还原NH4NO3的反应需要氧化还原能力和酸性位共同作用,即在氧化还原性能差异不大的条件下,酸性对该反应起到重要作用.而该反应也是NH3-NO/NO2 SCR的限速步骤,这是CeWTi催化材料活性高于CeTi催化材料的原因.
同时,为了获得NH3-NO/NO2 SCR反应的高活性,NO2:NO比例宜为1:1.然而现实情况中,预氧化催化材料的氧化活性、NOx浓度、温度等变量使得准确控制NO2的比例较难,因此,深入了解NO2浓度对NH3-NO/NO2 SCR反应的影响至关重要.本文探讨NO2:NO的比例、O2浓度等对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响;并研究了不同NO2含量条件下NH3-NO/NO2 SCR反应网络.通过分析CeWTi材料上NH3-NO/NO2 SCR反应网络可知,当NO与NO2比例为1:1时,NH3-SCR催化活性最高,并以快速SCR形式进行;当NO与NO2比例为1:1消耗完全之后,剩余的NO或NO2各自独立以标准或慢速SCR进行,不影响其本来的反应活性.催化材料的标准SCR、快速SCR和慢速SCR均取决于材料表面酸度和氧化还原性能,但快速SCR和慢速SCR对材料这两方面性能的要求相对较低.同时O2并不参与快速和慢速SCR,而NO2可以取代O2作为SCR反应中主要的氧化剂,氧化Ce4+为Ce3+,甚至比O2和NO再氧化活性位的能力更强,保持催化材料的高催化活性.低温条件时,慢速SCR和快速SCR反应均在材料表面生成硝酸铵中间物种,但由于慢速SCR气氛中缺乏NO将硝酸铵还原,进而引发快速SCR反应,因此材料表面快速SCR的NOx转化率要高于慢速SCR反应;高温条件下,由于硝酸铵容易热分解,导致硝酸铵的抑制效应不太明显.NH4NO3分解是NO2含量升高后N2O的形成的主要途径.

English

    1. [1] B. Zhao, R. Ran, X. Guo, L. Cao, T. Xu, Z. Chen, X. Wu, Z. Si, D. Weng, Appl. Catal. A, 2017, 545, 64-71.

    2. [2] J. Yu, Z. Si, L. Chen, X. Wu, D. Weng, Appl. Catal. B, 2015, 163, 223-232.

    3. [3] K. Skalska, J. S. Miller, S. Ledakowicz, Sci. Total Environ., 2010, 408, 3976-3989.

    4. [4] W. Cai, Q. Zhong, D. Wang, Y. Zhao, M. Chen, Y. Bu, ACS Appl. Nano Mater., 2018, 1, 1150-1163.

    5. [5] Z. Duan, J. Liu, J. Shi, Z. Zhao, Y. Wei, X. Zhang, G. Jiang, A. Duan, J. Environ. Sci., 2018, 65, 1-7.

    6. [6] Z. Si, D. Weng, X. Wu, J. Yang, B. Wang, Catal. Commun., 2010, 11, 1045-1048.

    7. [7] M. Fu, C. Li, P. Lu, L. Qu, M. Zhang, Y. Zhou, M. Yu, Y. Fang, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 14-25.

    8. [8] L. Zhu, Y. Zeng, J. Deng, S. Zhang, Q. Zhong, J. Environ. Sci., 2017, 54, 277-287.

    9. [9] A. Grossale, I. Nova, E. Tronconi, D. Chatterjee, M. Weibel, J. Catal., 2008, 256, 312-322.

    10. [10] M. Iwasaki, H. Shinjoh, Appl. Catal. A, 2010, 390, 71-77.

    11. [11] M. Bendrich, A. Scheuer, R. E. Hayes, M. Votsmeier, Appl. Catal. B, 2018, 222, 76-87.

    12. [12] L. Chen, Z. Wu, Z. Si, D. Weng, X. Wu, J. Environ. Sci., 2015, 31, 240-247.

    13. [13] M. Koebel, M. Elsener, G. Madia, Ind. Eng. Chem. Res., 2001, 40, 52-59.

    14. [14] C. Ciardelli, I. Nova, E. Tronconi, D. Chatterjee, T. Burkhardt, M. Weibel, Chem. Eng. Sci., 2007, 62, 5001-5006.

    15. [15] I. Nova, C. Ciardelli, E. Tronconi, D. Chatterjee, M. Weibel, Top. Catal., 2007, 42-43, 43-46.

    16. [16] C. Ciardelli, I. Nova, E. Tronconi, D. Chatterjee, B. Bandl-Konrad, M. Weibel, B. Krutzsch, Appl. Catal. B, 2007, 70, 80-90.

    17. [17] E. Tronconi, I. Nova, C. Ciardelli, D. Chatterjee, M. Weibel, J. Catal., 2007, 245, 1-10.

    18. [18] R. P. Vélez, U. Bentrup, W. Grünert, A. Brückner, Top. Catal., 2017, 60, 1641-1652.

    19. [19] M. Schwidder, S. Heikens, A. De Toni, S. Geisler, M. Berndt, A. Bruckner, W. Grunert, J. Catal., 2008, 259, 96-103.

    20. [20] M. Colombo, I. Nova, E. Tronconi, Catal. Today, 2012, 197, 243-255.

    21. [21] L. Chen, J. Li, M. Ge, L. Ma, H. Chang, Chin. J. Catal., 2011, 32, 836-841.

    22. [22] Q. Li, H. Gu, P. Li, Y. Zhou, Y. Liu, Z. Qi, Y. Xin, Z. Zhang, Chin. J. Catal., 2014, 35, 1289-1298.

    23. [23] W. Xu, Y. Yu, C. Zhang, H. He, Catal. Commun., 2008, 9, 1453-1457.

    24. [24] L. Chen, J. Li, M. Ge, R. Zhu, Catal. Today, 2010, 153, 77-83.

    25. [25] S. Zhang, Q. Zhong, Y. Shen, L. Zhu, J. Ding, J. Colloid Interfaces Sci., 2015, 448, 417-426.

    26. [26] L. Cao, L. Chen, X. Wu, R. Ran, T. Xu, Z. Chen, D. Weng, Appl. Catal. A, 2018, 557, 46-54.

    27. [27] Z. Ma, D. Weng, X. Wu, Z. Si, B. Wang, Catal. Commun., 2012, 27, 97-100.

    28. [28] L. Chen, D. Weng, Z. Si, X. Wu, Prog. Nat. Sci-Mater., 2012, 22, 265-272.

    29. [29] Z. Ma, D. Weng, X. Wu, Z. Si, J. Environ. Sci., 2012, 24, 1305-1316.

    30. [30] L. Chen, Z. Si, X. Wu, D. Weng, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 8134-8145.

    31. [31] L. Li, L. Zhang, K. Ma, W. Zou, Y. Cao, Y. Xiong, C. Tang, L. Dong, Appl. Catal. B, 2017, 207, 366-375.

    32. [32] W. Shan, F. Liu, H. He, X. Shi, C. Zhang, Appl. Catal. B, 2012, 115-116, 100-106.

    33. [33] S. Yang, Y. Guo, H. Chang, L. Ma, Y. Peng, Z. Qu, N. Yan, C. Wang, J. Li, Appl. Catal. B, 2013, 136-137, 19-28.

    34. [34] W. D. Halstead, J. Appl. Chem., 1970, 20, 129-132.

    35. [35] X. Wu, Z. Zhou, D. Weng, B. Wang, J. Environ. Sci., 2012, 24, 458-463.

    36. [36] L. Zhang, J. Sun, Y. Xiong, X. Zeng, C. Tang, L. Dong, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1749-1758.

    37. [37] A. Savara, M. J. Li, W. M. H. Sachtler, E. Weitz, Appl. Catal. B, 2008, 81, 251-257.

    38. [38] Z. Chen, Z. Si, L. Cao, X. Wu, R. Ran, D. Weng, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 2531-2541.

    39. [39] Z. Ma, X. Wu, H. Härelind, D. Weng, B. Wang, Z. Si, J. Mol. Catal. A, 2016, 423, 172-180.

    40. [40] K. Liu, F. Liu, L. Xie, W. Shan, H. He, Catal. Sci. Technol., 2015, 5, 2290-2299.

    41. [41] X. Xiao, S. Xiong, Y. Shi, W. Shan, S. Yang, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 1066-1076.

    42. [42] M. P. Ruggeri, A. Grossale, I. Nova, E. Tronconi, H. Jirglova, Z. Sobalik, Catal. Today, 2012, 184, 107-114.

    43. [43] M. P. Ruggeri, T. Selleri, M. Colombo, I. Nova, E. Tronconi, J. Catal., 2015, 328, 258-269.

    44. [44] A. Grossale, I. Nova, E. Tronconi, J. Catal., 2009, 265, 141-147.

    45. [45] M. P. Ruggeri, J. Luo, I. Nova, E. Tronconi, K. Kamasamudram, A. Yezerets, Catal. Today, 2018, 307, 48-54.

    46. [46] M. Colombo, I. Nova, E. Tronconi, V. Schmeißer, B. Bandl-Konrad, L. Zimmermann, Appl. Catal. B, 2012, 111-112, 106-118.

    47. [47] X. Shi, F. Liu, L. Xie, W. Shan, H. He, Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 3293-3298.

    48. [48] M. Koebel, G. Madia, F. Raimondi, A. Wokaun, J. Catal., 2002, 209, 159-165.

    49. [49] S. S. Kim, S. H. Choi, S. C. Hong, Environ. Eng. Sci., 2010, 27, 845-852.

    50. [50] I. Nova, C. Ciardelli, E. Tronconi, D. Chatterjee, B. Bandl-Konrad, Catal. Today, 2006, 114, 3-12.

    51. [51] C. Ciardelli, I. Nova, E. Tronconi, D. Chatterjee, B. Bandl-Konrad, Chem. Commun., 2004, 2718-2719.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  4
  • 文章访问数:  1350
  • HTML全文浏览量:  136
文章相关
  • 收稿日期:  2018-05-05
  • 修回日期:  2018-06-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章