不同晶体结构MnO2纳米催化剂低温NH3-SCR性能研究

李元元 黄妍 唐南 闫润华 胡振宇 肖娆 付晴 赵令葵 张俊丰 杨柳春

引用本文: 李元元, 黄妍, 唐南, 闫润华, 胡振宇, 肖娆, 付晴, 赵令葵, 张俊丰, 杨柳春. 不同晶体结构MnO2纳米催化剂低温NH3-SCR性能研究[J]. 燃料化学学报, 2018, 46(5): 578-584. shu
Citation:  LI Yuan-yuan, HUANG Yan, TANG Nan, YAN Run-hua, HU Zhen-yu, XIAO Rao, FU Qing, ZHAO Ling-kui, ZHANG Jun-feng, YANG Liu-chun. Study on the performance of low temperature NH3-SCR over MnO2 nano-catalyst with different crystal structures[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2018, 46(5): 578-584. shu

不同晶体结构MnO2纳米催化剂低温NH3-SCR性能研究

    通讯作者: 黄妍, xtuhy@163.com
  • 基金项目:

    湖南省教育厅高校创新平台开放基金(14K094)资助

摘要: 为了探究催化剂的结构和催化活性的关系,采用水热法制备了四种不同晶体结构的MnO2纳米催化剂(α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2),并考察了其低温NH3-SCR活性。结果表明,不同晶体结构催化剂的活性不同,依次为γ-MnO2 > α-MnO2 > β-MnO2 > δ-MnO2γ-MnO2表现出最高的催化活性,NOx转化率在150-260℃超过90%。随后,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附、热重(TG)、红外光谱(FT-IR)、程序升温还原(H2-TPR)及吡啶吸附红外光谱(Py-FTIR)等表征手段对催化剂的结构和性质进行分析。结果表明,α-MnO2β-MnO2为纳米棒,γ-MnO2δ-MnO2为纳米针,催化剂的比表面积并不是影响低温NH3-SCR活性的主导因素。γ-MnO2具有适宜的孔道结构、较强的氧化还原能力、丰富的化学氧含量和Lewis酸酸性位点,是其具有最高低温NH3-SCR活性的原因。

English

  • 氮氧化物(NOx)是一种主要的大气污染物,主要来源于固定源和移动源的尾气排放,能造成一系列严重的环境问题,如酸雨、光化学烟雾、臭氧层空洞以及温室效应等,危害人类健康[1]。目前,在固定源烟气脱硝中,使用最广泛的是氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术,该技术以NH3为还原剂,在催化剂(钒钨钛催化剂)和氧的共同作用下有选择性地将NOx还原为N2和H2O。然而,由于催化剂的温度窗口过于狭窄(300-400 ℃),导致脱硝装置必需置于脱硫装置和除尘装置之前,烟气中的细粉尘和二氧化硫容易使催化剂失去活性。此外,催化剂中含有的金属钒具有生物毒性且易挥发,失效的催化剂处置难度较大。为了解决上述问题,开发非钒基的低温(< 200 ℃)NH3-SCR催化剂迫在眉睫[2, 3]

    关于固定源低温NH3-SCR催化剂的研究主要集中在以过渡金属氧化物为活性组分的催化剂,如MNOx、FeOx和CrOx等,其中,锰氧化物由于能提供较多的自由电子和氧空位而表现出较好的低温活性[4, 5]。锰氧化物具有不同的价态,Kapteijn等[6]的研究表明, 不同价态MNOx的活性顺序为MnO2> Mn5O8> Mn2O3> Mn3O4> MnO,MnO2的低温活性最好,在450 K时能将NOx完全除去。

    MnO2具有丰富的晶体结构,常见的有α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2四种,是由MnO6八面体单元通过共棱边形成链,链与链通过共顶点形成不同孔道结构的多孔结晶化合物[7, 8]。MnO2的催化活性与晶体结构和形貌密切相关。Liang等[9]α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2四种纳米棒用于CO氧化,发现活性顺序为:α-MnO2δ-MnO2 > γ-MnO2 > β-MnO2。Zhang等[10]通过水热法制备了α-MnO2β-MnO2纳米棒,γ-MnO2δ-MnO2纳米球,四种催化剂催化氧化甲醛的活性顺序为δ-MnO2> α-MnO2 > γ- MnO2> β-MnO2δ-MnO2具有特殊的层状结构和丰富的晶格氧是其表现出最高催化氧化甲醛的活性的原因。然而,涉及到MnO2的晶体结构、形貌与NH3-SCR之间关系的研究报道却很少。戴韵等[11]发现,隧道状α-MnO2MnO2纳米棒NH3-SCR活性高于层状δ-MnO2纳米棒,主要原因是α-MnO2MnO2纳米棒暴露晶面(110)存在大量不饱和配位Mn离子,形成更多的Lewis酸性位点,更利于NH3的吸附。Li等[12]制备了三种不同形貌的MnO2,分别是纳米球、纳米片和纳米棒,其NH3-SCR活性为:纳米球>纳米片>纳米棒,由表征分析得到MnO2纳米球具有最大的比表面积、丰富的表面化学吸附氧物种和较强的酸性、还原能力。

    本研究通过水热法合成了四种不同晶体结构的MnO2纳米催化剂,分别是α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2,比较了其NH3-SCR活性,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附、热重(TG)、红外光谱(FT-IR)、程序升温还原(H2-TPR)及吡啶吸附红外光谱(Py-FTIR)等表征手段探讨了MnO2与NH3-SCR之间的构效关系。

    α-MnO2:取0.525 g MnSO4·H2O和1.25 g KMnO4,通过磁力搅拌溶解于80 mL去离子水中,然后转移至100 mL水热合成釜,在烘箱内160 ℃反应12 h。所得产品经清洗、离心后,80 ℃下干燥12 h,300 ℃焙烧3 h。

    β-MnO2:取1.69 g MnSO4·H2O和2.28 g(NH4)2S2O8,通过磁力搅拌溶解于80 mL去离子水中,然后转移至100 mL水热合成釜,在烘箱内140 ℃反应12 h。其余与α-MnO2的制备过程相同。

    γ-MnO2:取3.375 g MnSO4·H2O和4.575 g(NH4)2S2O8,通过磁力搅拌溶解于80 mL去离子水中,然后转移至100 mL水热合成釜,在烘箱内90 ℃反应24 h。其余与α-MnO2的制备过程相同。

    δ-MnO2:取0.275 g MnSO4·H2O和1.5 g KMnO4,通过磁力搅拌溶解于80 mL去离子水中,然后转移至100 mL水热合成釜,在烘箱内240 ℃下反应24 h。其余与α-MnO2的制备过程相同

    催化剂的活性测试在固定床反应器中进行。测试时,量取1 mL 40-80目的催化剂置于石英反应管中部,通过质量流量计调节进气总流量为500 mL/min、空速为30000 h-1。以N2为平衡气,NO和O2进入反应器前在气体混合罐中混合均匀,体积分数分别为0.05%和5%,而NH3则直接通过单独的管路进入反应器,体积分数为0.05%。反应温度由程序升温控制器控制,升温速率10 ℃/min。反应器进出口NO、NO2和NOx由氮氧化物分析仪(Quantachrome Instruments,42i-HL,USA)在线监测。催化剂的活性用NOx的转化率表示,按式(1)计算。

    $\begin{array}{l} {x_{{\rm{N}}{{\rm{O}}_x}}}\left( \% \right) = \\ \frac{{\varphi {{\left( {{\rm{NO + N}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} \right)}_{{\rm{inlet}}}} - \varphi {{\left( {{\rm{NO + N}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} \right)}_{{\rm{outlet}}}}}}{{\varphi {{\left( {{\rm{NO + N}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}} \right)}_{{\rm{inlet}}}}}} \times 100\% \end{array}$

    (1)

    催化剂的N2选择性按式(2)计算。测试时以Ar为平衡气,其余条件与活性测试相同。N2的体积分数通过气相色谱仪(7980B型,安捷伦科技中国公司)检测。

    ${s_{{\rm{N}_2}}}\left( \% \right) = \frac{{{{\left( {{{\rm{N}}_2}} \right)}_{{\rm{outlet}}}} - {{\left( {{{\rm{N}}_2}} \right)}_{{\rm{inlet}}}}}}{{{{\left( {{\rm{N}}{{\rm{O}}_x}} \right)}_{{\rm{inlet}}}} - {{\left( {{\rm{N}}{{\rm{O}}_x}} \right)}_{{\rm{outlet}}}}}} \times 100\% $

    (2)

    采用JEM-6610LV型电子显微镜得到催化剂的SEM照片,仪器的光源为钨灯,加速电压为30 kV。

    催化剂的比表面积和孔径结构由NOVA-2200e型比表面积分析仪测得。测定前,所有样品于150 ℃脱气处理6 h以除去吸附的杂质。分别通过BET模型和BJH模型得到比表面积和孔径结构。

    催化剂的晶型结构由Kigau Vltima Ⅳ型X射线粉末衍射仪得到,采用Cu Kα (λ=0.15406)作为辐射源,X射线管电压为40 kV,管电流为100 mA。

    H2-TPR在美国Quantachrome公司生产的Chembet-3000型全自动化学吸附仪上进行。仪器配备TCD检测器,测试时,样品质量为30 mg,测试温度50-600 ℃。

    使用STA449 F5型同步热分析仪测定催化剂的热稳定性。

    红外透射光谱由NICOLET 380型傅里叶红外光谱仪得到。仪器测量4000-400 cm-1,采用压片法制样,样品量和KBr的比例大约在1:100。

    通过吡啶吸附红外光谱对催化剂的酸性进行表征,谱图由PL-HV型真空吡啶红外表征系统测得。

    图 1为四种不同晶体结构MnO2纳米催化剂在空速为30000 h-1、NOx体积分数为0.05%条件下的NH3-SCR活性随反应温度的变化。

    图 1

    图 1.  不同晶体结构MnO2纳米催化剂的NH3-SCR活性
    Figure 1.  NH3-SCR activity of MnO2 nano-catalysts with different crystal structures

    (a): NOx conversion; (b): N2 selectivity

    图 1(a)可知,在较低温度下,随着反应温度的上升,NOx转化率逐渐提高,催化剂的活性显著增强,当反应温度过高时,催化剂将反应物中的NH3氧化为NOx,使得NOx转化率反而减小,催化剂活性降低。此外,MnO2纳米催化剂的活性与晶型有很大关系,不同晶体结构的MnO2,NOx转化率相差较大。四种催化剂的活性以如下的顺序降低:γ-MnO2>α-MnO2>β-MnO2>δ-MnO2。在四种催化剂中,γ-MnO2具有最高的催化活性,NOx转化率在150-260 ℃超过90%。其他三种催化剂α-MnO2β-MnO2δ-MnO2活性相对较差,α-MnO2的NOx转化率在170-230 ℃超过90%,活性仅次于γ-MnO2,而δ-MnO2活性最低,NOx转化率在整个反应温度内均低于50%。图 1(b)比较了四种催化剂的N2选择性差异。由图 1(b)可知,四种催化剂N2选择性与其催化活性顺序一致。γ-MnO2的N2选择性最为优异,在整个测试温度范围内超过80%,最高达到92%(200 ℃);α-MnO2β-MnO2次之;δ-MnO2的N2选择性最低,仅保持在50%左右。γ-MnO2的催化活性和N2选择性都较高,有一定的应用前景。

    通过SEM对催化剂的形貌进行分析,结果见图 2

    图 2

    图 2.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2催化剂的SEM照片
    Figure 2.  SEM images of MnO2 catalysts

    (a), (e): α-MnO2; (b), (f): β-MnO2; (c), (g): γ-MnO2; (d), (h): δ-MnO2

    图 2可知,α-MnO2呈由纳米棒构成的树枝状结构,α-MnO2纳米棒的长度为1.0-2.0 μm,直径为60-100 nm。β-MnO2具有球状的纳米结构,直径约为1.5 μm,球状结构由纳米棒构成,β-MnO2纳米棒的长度为1.0-2.0 μm,直径为100-200 nm。γ-MnO2同样呈球状纳米结构,直径约为6 μm,球状结构由纳米针构成,γ-MnO2纳米针的长度约为1 μm,直径约为60 nm。δ-MnO2也呈球状纳米结构,直径约为1.5 μm,球状结构由纳米针构成,δ-MnO2纳米针的长度约为1.1 μm,直径约为90 nm。

    催化剂的比表面积、孔容和孔径由N2吸附-脱附实验得到,结果见表 1。由表 1可知,催化剂的晶体结构对其比表面积以及孔容有着较大的影响。四种催化剂的比表面积大小顺序为γ-MnO2(104.75 m2/g)>α-MnO2(84.760 m2/g)>δ-MnO2(79.765 m2/g)>β-MnO2(32.383 m2/g)。同样,γ-MnO2的孔容也最大,为0.258 cm3/g。催化剂的表面是NH3-SCR反应发生的场所,比表面积越大,意味着催化剂表面能暴露更多的活性位点,将有利于反应气体的吸附和活化,从而提高催化活性。因此,γ-MnO2在四种催化剂中表现出较好的低温活性。通过对比发现,催化剂的N2吸附-脱附实验结果与活性测试结果并不完全一致,说明比表面积并不是MnO2催化剂活性的主导影响因素。MnO2催化剂的活性还受其他因素的影响[13]

    表 1

    表 1  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2催化剂的孔容、孔径和比表面积
    Table 1.  Specific surface area, pore volume and pore diameter distribution of the α-MnO2, β-MnO2, γ-MnO2 and δ-MnO2catalysts
    下载: 导出CSV
    Catalyst BET surface areas A/(m2·g-1) Total pore volume v/(cm3·g-1) Average pore size d/nm
    α-MnO2 84.760 0.189 16.692
    β-MnO2 32.383 0.045 20.762
    γ-MnO2 104.75 0.258 18.669
    δ-MnO2 79.765 0.213 16.534

    图 3为四种催化剂的XRD谱图,用以确定催化剂的晶体结构。由图 3可知,对于160 ℃条件下制备的锰氧化物,其XRD谱图与隐钾锰矿型α-MnO2(JCPDS 29-1020)非常吻合,在2θ为12.7°、18.1°、28.7°、37.6°、42.0°、49.9°、56.2°、60.2°、65.5°和69.6°处的衍射峰分别与α-MnO2(JCPDS 29-1020)的(110)、(200)、(310)、(211)、(301)、(411)、(600)、(521)、(002)和(541)晶面相对应[13]。对于140 ℃条件下制备的锰氧化物,其XRD谱图与β-MnO2(JCPDS 24-0735)相吻合,在2θ为28.7°、37.3°、41.0°、42.8°、46.1°、56.7°、59.4°、64.8°、67.2°和72.3°处的衍射峰分别与β-MnO2(JCPDS 24-0735)的(110)、(101)、(200)、(111)、(210)、(211)、(220)、(002)、(310)和(301)晶面相对应[14]。类似的,90、240 ℃条件下制备的锰氧化物分别归属于γ-MnO2(JCPDS 30-0820)和δ-MnO2(JCPDS 52-0556)[12, 13]。可以发现,α-MnO2β-MnO2具有较好的结晶度,其中,β-MnO2的衍射峰强度最大,结晶度最高;而γ-MnO2δ-MnO2的结晶度较低。催化剂的结晶度与比表面积有一定关联。一般情况下,催化剂的结晶度越低,则比表面积越大。对比活性测试结果可知,催化剂的结晶度不是影响其催化活性的主要因素。

    图 3

    图 3.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的XRD谱图
    Figure 3.  XRD patterns of MnO2 catalysts with different crystal structures

    催化剂的氧化还原能力对NH3-SCR活性有着重要的影响,本研究通过H2-TPR实验准确测定了各催化剂的氧化还原能力,结果见图 4α-MnO2δ-MnO2具有相似的H2-TPR谱图,在整个测试温度范围均只有一个较大的重叠峰,其中,α-MnO2的还原峰温度为336 ℃,而δ-MnO2的还原峰温度为320 ℃。γ-MnO2的H2-TPR谱图由两个独立的还原峰组成,低温还原峰温度为305 ℃,高温还原峰温度为400 ℃,且峰面积之比为2:1,即氢气消耗量的比值约为2:1,因此, 可以推测低温还原峰归属于MnO2还原成Mn3O4的峰,而高温还原峰归属于Mn3O4还原成MnO的峰。与γ-MnO2相比,β-MnO2的两个还原峰明显向高温区移动,低温还原峰位于356 ℃,归属于MnO2还原成Mn3O4的峰,而高温还原峰位于495 ℃,属于Mn3O4还原成MnO的峰。催化剂的氧化还原能力由还原峰温度表征,还原峰温度越低,催化剂的氧化还原能力越强。四种不同晶型催化剂的还原峰温度大小顺序为γ-MnO2(305 ℃)<δ-MnO2(320 ℃)<α-MnO2(336 ℃)<β-MnO2(356 ℃),γ-MnO2的还原峰温度最低,氧化还原能力最强,将有利于NO向NO2的氧化,从而促进快速SCR的进行,提高催化剂的低温活性[15, 16]δ-MnO2同样具有较强的氧化还原能力,这是δ-MnO2催化剂在50-120 ℃的活性高于α-MnO2β-MnO2的原因。而δ-MnO2在120-250 ℃的活性低于α-MnO2β-MnO2,这说明存在其他因素限制δ-MnO2催化活性的提高。

    图 4

    图 4.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的H2-TPR谱图
    Figure 4.  H2-TPR profiles of MnO2catalysts with different crystal structures

    图 5为四种催化剂的TG曲线。由图 5可知,催化剂的失重可以分为四个阶段。催化剂在50-250 ℃的失重属于催化剂中物理吸附和化学吸附的水分子的损失[17];催化剂在250-500 ℃的失重属于化学氧的损失,化学氧在SCR中具有重要作用,有助于反应气体NO和NH3的活化,从而促进NH3-SCR反应的进行[18];催化剂在500-750 ℃的失重是由于MnO2分解为Mn2O3引起的;而催化剂在750-900 ℃的失重是由于Mn2O3分解为Mn3O4引起的[19, 20]。由图 5可知,α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的水分子含量分别为0.83%、1.43%、0.74%和6.69%,δ-MnO2的水分子含量明显大于γ-MnO2,表明δ-MnO2的层间存在大量的水分子。α-MnO2β-MnO2的化学氧损失分别为2.60%和1.26%。而γ-MnO2δ-MnO2的化学氧损失分别为3.32%、0.97%,即γ-MnO2的化学氧含量大约是δ-MnO2的3.3倍。四种催化剂的化学氧含量大小顺序与催化活性顺序一致,可以推测化学氧的含量可能会对催化反应产生较大影响。γ-MnO2具有丰富的化学氧,有利于NO和NH3的活化,而δ-MnO2化学氧的含量较低,不利于NO和NH3的活化,限制了其催化活性的提高[11]

    图 5

    图 5.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的TG曲线
    Figure 5.  Thermogravimetric curves of MnO2 catalysts with different crystal structures

    据文献报道,α-MnO2的孔道结构为[2×2],β-MnO2的孔道结构为[1×1],γ-MnO2的孔道结构为[1×2],而δ-MnO2的结构为层状结构,层间含有大量的水分子,适宜的孔道结构将有利于反应气体的吸附和脱附,是γ-MnO2α-MnO2具有更高的催化活性的原因之一[21]图 6为各催化剂的FT-IR谱图,用以对催化剂的结构进行进一步分析。由图 6可知,四种催化剂红外谱图在3432 cm-1处的宽峰为水分子和OH基团的伸缩振动峰,在1630 cm-1处的窄峰属于水分子和OH基团的弯曲振动峰,且峰的强度越大,水分子的含量越高。δ-MnO2催化剂的水分子含量最大,γ-MnO2的水分子含量最少[9, 22]。水分子和OH基团的存在将抑制催化剂对反应气体的吸附,因此,两者含量的减少有利于提高催化剂的活性,这与催化剂的活性测试结果一致[3]。催化剂在705、593、523和462 cm-1处的红外谱峰是MnO2的骨架MnO6八面体的特征峰[23]。其中,705和523 cm-1处的谱峰为Mn-O键的伸缩振动峰,593和462 cm-1处的红外谱峰为Mn-O键的弯曲振动峰。比较可知,δ-MnO2的Mn-O键特征峰强度最低,甚至705和593 cm-1处的特征峰并不明显,表明Mn-O键的含量较低,这可能是δ-MnO2催化活性较低的原因之一。

    图 6

    图 6.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的FT-IR谱图
    Figure 6.  FT-IR spectra of MnO2 catalysts with different crystal structures

    通过Py-FTIR谱图区分催化剂的Lewis酸酸位和Brønsted酸酸位,特征峰的峰面积近似表征酸性位的数量。MnO2纳米催化剂的Py-FTIR谱图见图 7。催化剂在约1540 cm-1处的吸收带为B酸酸位的特征吸收峰,催化在1457 cm-1处的吸收带为L酸位的特征吸收峰[24]。由图 7可知,四种不同晶体结构的MnO2纳米催化剂均具有B酸酸位和L酸酸位。在SCR反应中,NH3的吸附是关键步骤,NH3吸附在B酸位上形成NH4+,与吸附的硝酸盐物种反应,反应路径为L-H机理;NH3吸附在L酸位上形成NH3(a),与气相中的NO反应,反应路径为E-R机理。一般认为,吸附在L酸酸位上的NH3(a)在低温NH3-SCR起主导作用[25, 26]。由图 7可知,催化剂在1457 cm-1处吸收带的峰面积大小顺序为:γ-MnO2>α-MnO2>β-MnO2>δ-MnO2,表明γ-MnO2的L酸酸位最多,δ-MnO2的L酸酸位最少,这与催化剂的活性顺序一致,说明催化剂L酸酸位的数量是影响其活性的主要因素。γ-MnO2具有丰富的L酸酸位,有利于NH3在低温下的吸附,从而促进了NH3-SCR反应的进行。

    图 7

    图 7.  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的Py-FTIR谱图
    Figure 7.  Py-FTIR spectra of MnO2 catalysts with different crystal structures

    通过水热法制备了四种不同晶体结构的MnO2纳米催化剂(α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2),γ-MnO2的NH3-SCR活性优于其他晶体结构的MnO2,在150 ℃时NOx的转化率为高达93.48%,在150-260 ℃条件下NOx的转化率超过90%。SEM和N2吸附-脱附实验表明,α-MnO2β-MnO2为纳米棒,γ-MnO2δ-MnO2为纳米针,γ-MnO2具有最大的比表面积和适宜的孔道结构,有利于反应气体的吸附,从而促进NH3-SCR的进行。由程序升温还原实验可知,γ-MnO2的氧化还原能力最强,有利于将NO氧化为NO2,促进发生“fast-SCR”反应,进而提高催化剂的低温活性。此外,γ-MnO2具有大量的L酸酸位和丰富的化学氧物种,有利于NH3的吸附和活化,从而进一步提高催化剂的低温活性。

    1. [1]

      PÂRVULESCU V I, GRANGE P, DELMON B. Catalytic removal of NO[J]. Catal Today, 1998, 46(4):  233-316. doi: 10.1016/S0920-5861(98)00399-X

    2. [2]

      ROY S, HEGDE MS, MADRAS G. Catalysis for NOx abatement[J]. Appl Energy, 2009, 86(11):  2283-2297. doi: 10.1016/j.apenergy.2009.03.022

    3. [3]

      LIU C, SHI J-W, GAO C, NIU C. Manganese oxide-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3:A review[J]. Appl Catal A:Gen, 2016, 522:  54-69. doi: 10.1016/j.apcata.2016.04.023

    4. [4]

      杨永利, 徐东耀, 晁春艳, 高明. 负载型Mn基低温NH3-SCR脱硝催化剂研究综述[J]. 化工进展, 2016,35,(4): 1094-1100. YANG Yong-li, XU Dong-yao, CHAO Chun-yan, GAO Ming. Research advance review on supported Mn-based catalysts at low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3[J]. Chem Ind Eng Prog, 2016, 35(4):  1094-1100.

    5. [5]

      刘亭, 王廷春, 吴瑞青, 沈伯雄. 低温NH3-SCR脱硝催化剂研究进展[J]. 安全与环境学报, 2012,19,(6): 42-44. LIU Ting, WANG Ting-chun, WU Rui-qing, SHEN Bo-xiong. Research advance review for low-temperature NH3 -SCR catalysts[J]. J Saf Environ, 2012, 19(6):  42-44.

    6. [6]

      KAPTEIJN F, SINGOREDJO L, ANDREINI A, MOULIJN J A. Activity and selectivity of pure manganese oxides in the selective catalytic reduction of nitric oxide with ammonia[J]. Appl Catal B:Environ, 1994, 3(2/3):  173-189.

    7. [7]

      刘林林, 田华, 贺军辉, 杨巧文, 王东. 隐钾锰矿型和水钠锰矿型氧化锰的研究进展[J]. 化学通报, 2011,74,(4): 000291-000297. LIU Lin-lin, TIAN Hua, HE Jun-hui, YANG Qiao-wen, WANG Dong. Progress in cryptomelane-and birnessite manganese oxides[J]. Chem Bull, 2011, 74(4):  000291-000297.

    8. [8]

      THACKERAY M M. Manganese oxides for lithium batteries[J]. Prog Solid State Chem, 1997, 25(1/2):  1-71.

    9. [9]

      LIANG S, TENG F, BULGAN G, RUILONG ZONG A, ZHU Y. Effect of phase structure of MnO2 nanorod catalyst on the activity for CO oxidation[J]. J Phys Chem C, 2010, 112(14):  5307-5315.

    10. [10]

      ZHANG J, LI Y, WANG L, ZHANG C, HE H. Catalytic oxidation of formaldehyde over manganese oxides with different crystal structures[J]. Catal Sci Technol, 2015, 5(4):  2305-2313. doi: 10.1039/C4CY01461H

    11. [11]

      戴韵, 李俊华, 彭悦, 唐幸福. MnO2的晶相结构和表面性质对低温NH3-SCR反应的影响[J]. 物理化学学报, 2012,28,(7): 1771-1776. DAI Yun, LI Jun-hua, PENG Yue, TANG Xing-fu. Effects of MnO2 crystal structure and surface property on the NH3-SCR reaction at low temperature[J]. Acta Phys Chim Sin, 2012, 28(7):  1771-1776.

    12. [12]

      LI Y, LI Y, WAN Y, ZHAN S, GUAN Q, TIAN Y. Structure-performance relationships of MnO2nanocatalyst for the low-temperature SCR removal of NOx under ammonia[J]. RSC Adv, 2016, 6(60):  54926-54937. doi: 10.1039/C6RA03108K

    13. [13]

      孙梦婷, 黄碧纯, 马杰文, 李时卉, 董立夫. 二氧化锰在低温NH3-SCR催化反应上的形貌效应[J]. 物理化学学报, 2016,32,(6): 1501-1510. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603171SUN Meng-ting, HUANG Bi-chun, MA Jie-wen, LI Shi-hui, DONG Li-fu. Morphological effects of manganese dioxide on catalytic reactions for low-temperature NH3-SCR[J]. Acta Phys Chim Sin, 2016, 32(6):  1501-1510. doi: 10.3866/PKU.WHXB201603171

    14. [14]

      SUN M, LAN B, YU L, YE F, SONG W, HE J, DIAO G, ZHENG Y. Manganese oxides with different crystalline structures:Facile hydrothermal synthesis and catalytic activities[J]. Mater Lett, 2012, 86:  18-20. doi: 10.1016/j.matlet.2012.07.011

    15. [15]

      王燕彩, 刘昕, 宁平, 张秋林, 张金辉, 徐利斯, 唐小苏, 王明智. 制备方法对氧化锰八面体分子筛的NH3选择性催化还原NOx性能的影响[J]. 燃料化学学报, 2014,42,(11): 1357-1364. doi: 10.3969/j.issn.0253-2409.2014.11.013WANG Yan-cai, LIU Xin, NING Ping, ZHANG Qiu-lin, ZHANG Jin-hui, XU Li-si, TANG Xiao-su, WANG Ming-zhi. Effect of preparation methods on selective catalytic reduction of NOx with NH3 over manganese oxide octahedral molecular sieves[J]. J Fuel Chem Technol, 2014, 42(11):  1357-1364. doi: 10.3969/j.issn.0253-2409.2014.11.013

    16. [16]

      苏潜, 黄妍, 张颖, 李元元, 唐南, 张俊丰, 杨柳春. 铜源对Cu-S APO-34氨催化还原NO性能的影响[J]. 分子催化, 2016,30,(2): 151-158. SU Qian, HUANG Yan, ZHANG Yin, LI Yuan-yuan, TANG Nan, ZHANG Jun-fen, YANG Liu-chun. Effects of copper sources on selective catalytic reduction of NO with NH3 of Cu-SAPO-34[J]. J Mol Catal, 2016, 30(2):  151-158.

    17. [17]

      GIOVANOLI R. Thermogravimetry of manganese dioxides[J]. Thermochim Acta, 1994, 234(94):  303-313.

    18. [18]

      WANG C, SUN L, CAO Q, HU B, HUANG Z, TANG X. Surface structure sensitivity of manganese oxides for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3[J]. Appl Catal B:Environ, 2011, 101(3/4):  598-605.

    19. [19]

      WANG ZM, KANOH H. Calorimetric study on NH3 insertion reaction into microporous manganese oxides with (2×2) tunnel and (2×∞) layered structures[J]. Thermochim Acta, 2001, 379(1):  7-14.

    20. [20]

      郭学益, 刘海涵, 李栋, 田庆华, 徐刚. 二氧化锰晶型转变研究[J]. 矿冶工程, 2007,27,(1): 50-53. GUO Xue-yi, LIU Hai-han, LI Dong, TIAN Qing-hua, XU Gang. Influence of thermal treatment on the crystal phase transformation of MnO2[J]. Min Metal Eng, 2007, 27(1):  50-53.

    21. [21]

      AND S D, MUNICHANDRAIAH N. Effect of crystallographic structure of MnO2 on its electrochemical capacitance properties[J]. J Phys Chem C, 2008, 112(11):  4406-4417. doi: 10.1021/jp7108785

    22. [22]

      LI Y, FAN Z, SHI J, LIU Z, ZHOU J, SHANGGUAN W. Modified manganese oxide octahedral molecular sieves M'-OMS-2(M'=Co, Ce, Cu) as catalysts in post plasma-catalysis for acetaldehyde degradation[J]. Catal Today, 2015, 256:  178-185. doi: 10.1016/j.cattod.2015.02.003

    23. [23]

      XIE J, CHEN L, ZHOU W F, AU C T, YIN S F. Selective oxidation of p-chlorotoluene to p-chlorobenzaldehyde over metal-modified OMS-2 molecular sieves[J]. J Mol Catal A:Chem, 2016, 425:  110-115. doi: 10.1016/j.molcata.2016.09.038

    24. [24]

      辛勤, 罗孟飞.现代催化研究方法[M].北京:科学出版社, 2009.XIN Qin, LUO Meng-fei. The Modern Catalytic Research Method[M]. Beijing:Science Press, 2009.

    25. [25]

      WU Z, JIANG B, LIU Y, WANG H, JIN R. DRIFT study of manganese/titania-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3[J]. Environ Sci Technol, 2007, 41(16):  5812-5817. doi: 10.1021/es0700350

    26. [26]

      YU C, HUANG B, DONG L, CHEN F, LIU X. In situ FT-IR study of highly dispersed MnOx/SAPO-34 catalyst for low-temperature selective catalytic reduction of NOx by NH3[J]. Catal Today, 2017, 281:  610-620. doi: 10.1016/j.cattod.2016.06.025

  • 图 1  不同晶体结构MnO2纳米催化剂的NH3-SCR活性

    Figure 1  NH3-SCR activity of MnO2 nano-catalysts with different crystal structures

    (a): NOx conversion; (b): N2 selectivity

    图 2  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2催化剂的SEM照片

    Figure 2  SEM images of MnO2 catalysts

    (a), (e): α-MnO2; (b), (f): β-MnO2; (c), (g): γ-MnO2; (d), (h): δ-MnO2

    图 3  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的XRD谱图

    Figure 3  XRD patterns of MnO2 catalysts with different crystal structures

    图 4  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的H2-TPR谱图

    Figure 4  H2-TPR profiles of MnO2catalysts with different crystal structures

    图 5  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的TG曲线

    Figure 5  Thermogravimetric curves of MnO2 catalysts with different crystal structures

    图 6  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的FT-IR谱图

    Figure 6  FT-IR spectra of MnO2 catalysts with different crystal structures

    图 7  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2的Py-FTIR谱图

    Figure 7  Py-FTIR spectra of MnO2 catalysts with different crystal structures

    表 1  α-MnO2β-MnO2γ-MnO2δ-MnO2催化剂的孔容、孔径和比表面积

    Table 1.  Specific surface area, pore volume and pore diameter distribution of the α-MnO2, β-MnO2, γ-MnO2 and δ-MnO2catalysts

    Catalyst BET surface areas A/(m2·g-1) Total pore volume v/(cm3·g-1) Average pore size d/nm
    α-MnO2 84.760 0.189 16.692
    β-MnO2 32.383 0.045 20.762
    γ-MnO2 104.75 0.258 18.669
    δ-MnO2 79.765 0.213 16.534
    下载: 导出CSV
  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  0
  • HTML全文浏览量:  0
文章相关
  • 发布日期:  2018-05-01
  • 收稿日期:  2018-01-15
  • 修回日期:  2018-03-20
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