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V⁴⁺/V⁵⁺比值调变与SCR脱硝活性及催化剂性能

作　者: 高慧聪
导　师: 董国君
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 应用化学
关键词: V4+/V5+比值过渡元素 V2O5-WO3/TiO2 SCR脱硝活性调变作用
分类号: TQ426
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

氮氧化物（NO_x）是不容忽视的大气污染源，为使尾气中NO_x的排放达标，选择性催化还原（SCR）脱硝技术被认为是最有前景的净化技术。研究发现，钒基脱硝催化剂的V⁴⁺/V⁵⁺比值与催化剂脱硝活性存在一定的关联，本文通过调节金属助剂的负载量优化脱硝催化剂主剂V元素的V⁴⁺/V⁵⁺比值，改善催化剂表面元素原子的价态分布及表面酸碱性，进而提高催化剂的低温脱硝性能及温度窗口适应性能，以适用于移动源NO_x脱硝。本论文以TiO₂为载体，采用浸渍法制备V-W/TiO₂催化剂以及在此基础上负载单一过渡金属氧化物和复合氧化物系列催化剂。通过XPS测试揭示了过渡金属元素Mn、Cu、Ni、Zn及稀土元素Ce调变催化剂V⁴⁺/V⁵⁺比值变化的规律性，结合催化剂的Urea-SCR活性评价结果，探讨了V⁴⁺/V⁵⁺比值大小与SCR脱硝活性高低的关系，采用NH3-TPD、BET、XRD、H2-TPR、SEM-EDS等相应的性能表征技术，研究得到各系列催化剂中所负载金属氧化物的最优负载量：Mn/Ti=0.4，Cu/Ti=0.3，Ni/Ti=0.4，Zn/Ti=0.3。V-W/TiO₂催化剂的V⁴⁺/V⁵⁺比值较小。过渡金属负载后的V⁴⁺/V⁵⁺比值都有一定程度的增大，均呈现为先增后减的趋势，且从比值大小和变化的幅度而言，Cu、Ni、Zn较Mn更有利于调变V⁴⁺/V⁵⁺比值，各系列催化剂均在V⁴⁺/V⁵⁺比值为最大时其相应活性达到此系列中最优。得到V⁴⁺/V⁵⁺比值的大小是影响同系列单一过渡金属负载型催化剂脱硝活性高低的重要因素。V-W-Ti负载电负性较V大的Cu、Ni、Zn的催化剂的中低温脱硝活性较低，负载电负性小的Mn元素活性较好。推断影响V⁴⁺物种的因素主要是所形成的Mn+-O-V⁵⁺（4+）（n为正整数）物种中V⁵⁺（4+）和Mn+吸引电子的能力不同，Mn+-O-V⁴⁺物种较多时，催化剂的SCR脱硝活性较好。与单一元素负载催化剂相比，复合金属氧化物负载后的V2p的结合能均较明显的向低能方向移动，因V⁵⁺的电负性较大，使得V原子周围的电子富集作用较强，从而导致V周围电子云的密度升高，降低了V不同价态的结合能。对于复合氧化物催化剂，Cu较Mn和Ce更利于V不同价态量的调变作用。Mn系催化剂有三个酸性位，且其低温活性较好，在同时负载Mn、Cu时的V⁴⁺/V⁵⁺比值变大，催化剂活性温度窗口拓宽，230～430℃的活性均在50％以上。而Cu系、Ni系、Zn系催化剂表面均只有弱酸性位和中强酸性位存在，表面酸性中心分布不均，各系列催化剂的V⁴⁺/V⁵⁺比值较大且改变幅度较大，然而在150～400℃的脱硝活性整体均较低，从而证实了催化剂L酸性位的存在对NH3-SCR脱硝反应的中低温活性有较大的贡献。研究得到影响SCR脱硝催化脱硝活性的因素顺序为：元素自身催化性能＞表面酸碱性及酸类别＞V⁴⁺/V⁵⁺比值大小＞金属氧化物的氧化还原性能＞＞比表面积。稀土元素Ce的负载大幅度改变了V⁴⁺/V⁵⁺比值，使得比值呈递增趋势，然而其活性高低与V⁴⁺/V⁵⁺比值大小不相一致。当Ce负载量较多时，催化剂表面的低价钒居多，活性中心V⁵⁺=O量较少，从而降低了催化活性。与Mn-Cu催化剂系列相比较，在Ce负载后，Mn主要以高价态Mn4+、Mn3+存在，从而负载Ce促进了活性组分氧化物在TiO₂表面的负载，使得在Ce/Ti为0.07时的整体活性较Mn-Cu系列有所提高。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第一章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 NH_3-SCR 脱硝技术研究进展  12-14
    1.2.1 SCR 脱硝技术简介  12
    1.2.2 Urea(NH_3)-SCR 脱硝反应机理  12-14
  1.3 钒基脱硝催化剂的发展现状  14-20
    1.3.1 钒基催化剂上的反应机理  15-17
    1.3.2 钒基催化剂表面 V~(4+)/V~(5+)比值研究现状  17-20
  1.4 过渡金属氧化物对脱硝催化剂活性影响的研究  20-22
    1.4.1 过渡金属具有催化活性的理论分析  20
    1.4.2 过渡金属氧化物对 SCR 脱硝反应活性的影响  20-22
  1.5 脱硝催化剂的合成方法概述  22
  1.6 本论文研究的目的和主要内容  22-24
第二章实验部分  24-31
  2.1 实验试剂与仪器  24-25
    2.1.1 实验试剂  24
    2.1.2 实验仪器  24-25
  2.2 催化剂的制备  25-26
  2.3 催化剂的性能表征  26-28
    2.3.1 表面元素价态含量及价态分析(XPS)  26
    2.3.2 比表面积测试(BET)  26
    2.3.3 物相分析(XRD)  26-27
    2.3.4 表面酸性分析(NH_3-TPD)  27
    2.3.5 氧化还原性能测试(H_2-TPR)  27-28
    2.3.6 表面形貌及能谱分析(SEM-EDS)  28
  2.4 催化剂的性能评价  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第三章单一过渡元素调变 V~(4+)/V~(5+)比值及催化剂性能研究  31-61
  3.1 W 调变 V~(4+)/V~(5+)比值及催化剂性能研究  31-35
    3.1.1 催化剂表面元素及价态分析  31-32
    3.1.2 物相分析  32-33
    3.1.3 催化剂的表面酸性  33-34
    3.1.4 催化剂的氧化还原性能  34
    3.1.5 V-W/TiO_2催化剂的脱硝活性测试  34-35
  3.2 Mn、Cu、Ni、Zn 调变 V~(4+)/V~(5+)比值及催化剂性能研究  35-55
    3.2.1 催化剂表面元素价态及比值分析  35-42
    3.2.2 催化剂物相分析  42-45
    3.2.3 催化剂比表面积测定  45-47
    3.2.4 催化剂表面酸性分析  47-49
    3.2.5 催化剂氧化还原性能测试  49-52
    3.2.6 催化剂脱硝性能评价  52-55
  3.3 催化剂的表面形貌及能谱分析  55-57
  3.4 V~(4+)/V~(5+)比值影响规律探讨  57-59
  3.5 本章小结  59-61
第四章复合元素调变 V~(4+)/V~(5+)比值及催化剂性能研究  61-70
  4.1 复合氧化物催化剂系列的表面元素及价态分析  61-64
  4.2 催化剂的物相分析  64-66
  4.3 催化剂的表面酸性  66-67
  4.4 催化剂的比表面积测定  67
  4.5 复合氧化物负载催化剂系列的脱硝性能  67-68
  4.6 表面形貌分析  68-69
  4.8 本章小结  69-70
结论  70-72
参考文献  72-80
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  80-81
致谢  81

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