Fe-MOFs及Mn-MOFs的制备及其催化NH3-SCR反应的研究

作     者：刘晓微 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石勇

授予年度：2014年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：Fe-MOFs Mn-MIL-100 NH3-SCR 脱硝效率 

摘      要：随着我国工业化进程的不断发展,相继出现了酸雨、光化学烟雾等污染问题。其中,氮氧化物(NOx)作为这些问题的根源之一,已引起我国的高度重视。治理NOx广泛采用的方法为以NH3为还原剂的选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction by NH3, NH3-SCR)。目前,工业上广泛采用的脱硝催化剂为V2O5-WO3/TiO2,但运行中存在反应温度高,窗口窄及易产生N2O等诸多不足。因此,寻求高催化活性、多活性位点及无毒的催化剂已成为脱硝领域的研究热点。金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料作为一类新兴材料,由于其具有高孔隙率、多活性位点及大比表面积等特点而被应用到催化领域。但将MOFs材料应用到脱硝领域的研究还未见报道。因此,本论文选用MOFs材料中的Fe-MOFs和Mn-MIL-100作为催化剂对其脱硝活性进行研究。通过催化剂的各种表征手段对合成出材料的结构及性能进行分析。同时,研究不同条件下合成MOFs材料对于脱硝活性的影响。围绕以上内容,得到了以下研究成果： (1)采用溶剂热法合成出MIL-100(Fe)和MIL-53(Fe)两种材料,并将两者用于催化NH3-SCR反应,得到MIL-100(Fe)具有较高的脱硝效率。 (2)考察MIL-100(Fe)不同合成条件对NH3-SCR反应催化活性的影响。首先,选用不同的溶剂(H2O和DMF)合成出材料并将其用于催化NH3-SCR反应,得到以水为溶剂合成出的材料具有较高的催化活性。然后,选用不同的有机配体(H3BTC和NH2-H2BDC)合成出材料并将其用于催化NH3-SCR反应,得出MIL-100(Fe)H2具有较高催化活性。这主要是由于配体上官能团的修饰能够为反应提供活性位点。最后,考察MIL-100(Fe)不同活化温度对反应催化效率的影响,得到经过200℃,12h真空干燥后的材料在300℃可以达到95%的NOx转化率。因为高温真空活化不仅会除去MOFs材料孔洞中残留的溶剂分子及有机配体,而且当温度大于1500C会在材料框架结构不变的条件下,使框架中的金属中心FeⅢ会部分的转化为FeⅡ,框架中FeⅢ/FeⅡ的混合价态将有利于NH3-SCR反应的进行。 (3)采用溶剂热法合成Mn-MIL-100材料,并对其进行脱硝活性测试,得到其在较低温段具有催化活性。这主要是因为骨架中存在金属不饱和活性位点。 (4)采用水热法合成出了同时具有双金属的MIL-100(Fe-Mn)材料。将该材料用于催化NH3-SCR反应,其与单一金属MOFs材料相比具有较好的催化活性,即反应温度为300℃时,NOx的转化率可以达到80%。