CeO2形貌调控氧空位催化剂及其低温CO-SCR脱硝性能研究

作     者：康嘉霓 

作者单位：中国环境科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：邓双

授予年度：2024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：CO-SCR 低温 CeO2 晶面暴露 氧空位 

摘      要：CO作为还原剂选择性催化还原NOx（CO-SCR）技术,可以实现烟气中NO和CO两种大气污染物的协同脱除,并且避免了目前普遍采用氨选择性催化还原（NH3-SCR）技术带来的氨逃逸二次污染,是一种具有前景的烟气脱硝技术。该技术推广的核心是高效催化剂的研发,但目前研究较广泛的贵金属催化剂价格高昂,且低温活性差。本文设计并制备了系列CeO2催化剂,通过形貌调控纳米CeO2的暴露晶面,以促进氧空位（Ovs）和活性位点生成;考察其CO-SCR催化反应性能,筛选低温高活性催化剂;对催化剂的物理化学性质进行表征,从而揭示其构效关系,并对其CO-SCR反应机理进行深入研究,为高效CO-SCR低温催化剂的研发提供理论基础。 采用水热法制备纳米立方CeO2（CeO2-C）、纳米棒CeO2（CeO2-R）和纳米颗粒CeO2（CeO2-P）,其暴露晶面分别为（100）、（110）和（111）。虽然CeO2-C、CeO2-R和CeO2-P催化剂的CO-SCR催化起活温度较高,在300℃时NO才开始转化,且活性欠佳。但纳米CeO2比表面积较大,其中CeO2-R比表面积最大(87.75m2 g-1),孔容最多(0.52cm3 g-1);通过XPS表征得到其表面吸附氧相对含量最多。因此,不同形貌纳米CeO2作为载体,具有提升CO-SCR低温催化性能的潜力。 考察负载量、活性组分和形貌对过渡金属氧化物/不同形貌CeO2系列催化剂CO-SCR催化性能的影响。负载量为10 wt%的CuO/不同形貌CeO2催化剂表现出最佳催化性能;而Co3O4/纳米立方（CeO2-C）、纳米棒（CeO2-R）和纳米颗粒CeO2（CeO2-P）上的最佳负载量分别为2.5、10和1.5 wt%。相比于Co3O4,CuO为活性组分的CeO2系列催化剂CO-SCR性能更优异。通过系统比较各个催化剂的活性筛选出10CuO/CeO2-R催化剂具有最佳低温CO-SCR催化性能,200℃时,NO和CO转化率都接近100%,N2选择性为78%;5 vol%的水蒸气对其影响较弱,具有较好的稳定性。 进一步探究CuO/CeO2系列催化剂的构效关系和CO-SCR在催化剂上的反应机制。CuO/CeO2-R催化剂在高浓度（5 vol%）O2条件下失活,但是随着通入O2浓度减少,催化性能恢复,表明O2和反应物存在竞争吸附。CuO在CeO2-R（110）晶面上Cu原子掺入到CeO2晶格,Cu的分散性更好;XPS和Raman得到Ovs含量能促进大量Cu+-Ov-Ce3+界面位点形成。采用原位红外吸附光谱（in situ DRIFTS）发现Cu+-Ov-Ce3+界面位点可以促进CO吸附,以及NO解离,从而降低反应活化能Ea(8.48 k J mol-1),加速CO-SCR催化反应的速率。最后考察了反应物的吸附机理,10CuO/CeO2-R催化剂上,Cu+是CO的活性吸附位点,且NO和CO都被吸附于催化剂上,175℃时CO-SCR遵循Langmuir-Hinshelwood（L-H）反应机理。