铈基NOx低温SCR催化剂的制备和反应机理研究

低温的选择性催化还原（SCR）是目前我国钢铁、建材和电力行业尾气脱硝处理的技术需求热点。本课题的前期研究发现：Ce/Cr二元氧化物催化剂具有很好的低温SCR催化脱硝效果，因此我们提出了采用酸性金属氧化物掺杂CeO2(或CeO2/ZrO2)的新型催化剂设计理念。为了检验该理念，本研究将采用我国丰富的铈资源为原料，通过尝试掺杂多种酸性金属氧化物，制备对NOx具有优异SCR催化还原能力的系列新型催化剂，并通过现代分析测试手段，表征该新型催化剂表面NOx被NH3还原的反应历程和中间产物信息，在获得具有自主知识产权的低温SCR催化剂的同时，提出这种SCR催化剂的反应机理，为进一步提高其催化性能的研究提供理论支持。

本课题研究了铈基低温SCR催化剂的制备、优化和反应机理，获得了以过渡金属氧化物和氧化铈类材料符合的新型低温SCR催化剂，并对材料的SCR催化性能、耐硫性能和反应机理进行了探讨。研究发现，可用于获得低温SCR催化剂的复合氧化物有Cr/Zr/Ce、Cr/Ce、Mn/Zr/Ce和V/Zr/Ce这几种，其中使用Cr氧化物的样品在100~300度均具有较好SCR催化效果，而使用Mn氧化物的样品在低温具有较高活性，但较高温度下催化活性明显变差，使用V氧化物的样品在低温下活性很差，但在300度或更高温度下催化活性改善。采用in-situ DRIFTS的方法研究了Cr/Ce催化剂的反应机理，认为该反应过程符合E-R，即NH3先和样品表面的弱酸性基团结合，而后再和气相中的NO发生反应，产生的中间产物很快分解为氮气和水，同时导致Cr的还原，而临近的氧化铈由于其出色的储氧和供氧能力而快速氧化Cr离子，使之重新获得络合NH3的能力，并完成催化表面的更新和循环。经过H2-TPR、NH3-TPD的研究表明：Cr/Zr/Ce样品催化活性较高的原因在于其比较丰富的酸性位点和其中Ce(III)/Ce(IV)共存的状态。对使用Mn、V和Cr的样品进行了耐硫性研究，发现使用Cr和V的复合氧化物具有较好的耐硫性，其原因很可能在于CrOx和VOx较强的酸性和不易与SO2牢固结合的特性。