Cu2+离子掺杂SnO2固溶体催化剂的晶格容量效应:NH3选择性还原NOx反应性能提高的本质原因

徐香兰 佟云艳 张景岩 方修忠 徐骏伟 刘福燕 刘建军 钟伟 Olga E. Lebedeva 王翔

引用本文: 徐香兰,  佟云艳,  张景岩,  方修忠,  徐骏伟,  刘福燕,  刘建军,  钟伟,  Olga E. Lebedeva,  王翔. Cu2+离子掺杂SnO2固溶体催化剂的晶格容量效应:NH3选择性还原NOx反应性能提高的本质原因[J]. 催化学报, 2020, 41(5): 877-888. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63532-X shu
Citation:  Xianglan Xu,  Yunyan Tong,  Jingyan Zhang,  Xiuzhong Fang,  Junwei Xu,  Fuyan Liu,  Jianjun Liu,  Wei Zhong,  Olga E. Lebedeva,  Xiang Wang. Investigation of lattice capacity effect on Cu2+-doped SnO2 solid solution catalysts to promote reaction performance toward NOx-SCR with NH3[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(5): 877-888. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63532-X shu

Cu2+离子掺杂SnO2固溶体催化剂的晶格容量效应:NH3选择性还原NOx反应性能提高的本质原因

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21567016,21666020,21962009);江西省自然科学基金(20181ACB20005,20171BAB213013);江西省环境与能源催化重点实验室(20181BCD40004);国家重点研发计划(2016YFC0209302);江西省研究生创新基金(YC2018-B015);浙江省自然科学基金(LY18B010007).

摘要: NOx排放给人类健康和环境带来了严重的危害,目前已发展了多种消除其污染的方法.其中氨选择性催化还原(NH3-SCR)技术是固定源和移动源柴油机排放NOx的有效消除方法之一.非贵金属氧化物催化剂由于廉价、且原料来源丰富,用于NH3-SCR反应在过去几十年一直备受人们关注.由于晶格畸变和不等价取代等原因,与单组分氧化物催化剂相比,替代型金属氧化物固溶体催化剂通常具有更优异的物理化学性能.其中典型的例子是已被广泛用作汽车尾气净化转化器储氧材料的铈锆固溶体.与纯CeO2相比,Zr4+离子溶入立方萤石CeO2晶格形成固溶体结构后,显著提高了其稳定性和储氧能力.近八年来,我们以四方金红石型SnO2为溶剂,系统地研究了系列金属阳离子在其晶格中的溶解行为,并考察了其催化反应性能.为深入理解固溶体催化剂的结构与反应性能之间的关系,我们首次创建了简单易行的XRD外推法定量金属氧化物固溶体中溶质阳离子的晶格容量.结果表明,其它离子掺杂形成SnO2基固溶体可显著增加其表面缺位氧和Lewis酸性位点的数量,且可使缺位氧在较高温度下保持稳定,显著提高了所得催化剂的反应性能.另外我们还发现,当溶质离子含量为晶格容量时可得到最大量的纯相固溶体,此时催化剂通常具有最优的性能,具有明显的阈值效应.
很多研究表明,含CuO的一些催化材料通常对NOx选择还原具有良好的低温活性和选择性,但把Cu2+离子溶入SnO2晶格构建固溶体催化剂用于NH3-SCR反应迄今未见报道.因此,为获得性能优良的催化剂,本文采用共沉淀法制备了系列不同Cu2+离子含量的Sn-Cu复合氧化物固溶体催化剂,并采用XRD外推法测定了Cu2+离子在SnO2中的晶格容量,为0.10g CuO/g SnO2,相当于Sn/Cu摩尔比为84/16.Raman结果表明,Cu2+离子含量低于晶格容量时,随其含量增加,表面氧缺位数量增加,且在晶格容量时达到最大.H2-TPR,O2-TPD和NH3-TPD结果表明,随着Cu2+离子含量增加,催化剂表面活性氧物种和表面酸中心的数量均增加;在Cu2+离子含量接近晶格容量时,催化剂中形成最大量的纯固溶体相,上述活性中心均可达到最大量.此时,催化剂具有最佳的NH3-SCR反应性能.因此,Cu2+离子溶入SnO2晶格形成固溶体催化剂,在结构和反应性能上均具有明显的晶格容量阈值效应.通过将Cu2+离子含量调控在晶格容量,可获得反应性能最好的Sn-Cu复合氧化物固溶体催化剂.

English

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  • 收稿日期:  2019-11-13
  • 修回日期:  2019-12-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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