高效NH3-SCR催化剂的设计与合成

本项研究拟以NH3-SCR反应为目标反应，通过对商业化的SCR催化剂V2O5/WO3-TiO2和Fe(Cu)-分子筛进行系统分析、表征，明确高效SCR催化剂中酸性位和氧化位，找出酸性位的酸强度和氧化位的氧化能力之间的匹配关系，给出酸性位与氧化位在空间位置上的关系。以此为依据，在前期工作基础上，先分别选择不同种类酸中心和孤立氧化位进行SCR反应的研究，涉及的催化体系有：V2O5/WO3-TiO2体系、分子筛体系、粘土体系、过渡金属纳米氧化物、负载金属过渡的碳体体系。通过对酸类型的作用，中间物种的形成，活性位的结构分析，以及N-H键的活化方式的了解，对新型高效NH3-SCR催化剂进行结构设计，并采用相应的合成方法进行制备，力争通过功能组合的方式，即实现由酸酸性位和氧化位构建的方式制备出高效NH3-SCR催化剂。

NH3-SCR催化剂其主要应用对象是火力电厂的脱硝和重型柴油机尾气的净化。火力电厂脱硝用的V2O5/WO3-TiO2催化剂已具有非常优异的脱硝效率，但还存在着：（1）烟道气中的碱性烟灰会使V2O5/WO3-TiO2中毒；（2）V2O5/WO3-TiO2中的V有毒，且易流失，会对环境造成二次污染等问题。为此，国际上对低温脱硝催化剂和非V-基催化剂给予极大的关注。通过对现有高效SCR催化剂结构进行分析与归纳总结，认为在以氨为还原剂的SCR反应中，决定催化剂活性的重要因素是催化剂的酸性位的酸性、氧化位的氧化能力，以及酸性位与氧化位在性能之间的匹配关系和空间位置关系。其中，调控酸性位与氧化位性能之间的匹配关系是重点，而控制二者在空间上的距离是核心技术。本项研究的主要工作集中在高效SCR催化剂设计与合成方面，并在以下几个方面取得了进展：.（1）钙钛石型催化剂：选择离子半径较大且电负性较高的Bi离子作为A位离子，并合成出具有钙钛石结构的BiMnO3，并在低温SCR反应中表现出非常优异的活性。采用理论计算证实了Bi离子的引入降低了氧原子上负电荷密度，从另一个侧面说明了酸性增加。（2）nano-CeO2/MCM56催化剂：为了探索氧化位与酸性位之间的匹配关系，以层状分子筛MCM56为载体，负载3-5nm的CeO2纳米粒子，制备出nano-CeO2/MCM56催化剂，在480000h-1高空速下，仍具有较好的活性，其活性已经超过Fe-ZSM-5的活性，有望成为重型柴油机尾气净化催化剂活性组分之一。（3）Ce-P-O催化剂:详细研究了Ce-P-O催化剂表面磷的作用，在氧化铈表面形成了多磷酸根阴离子是其表面酸性增强的关键因素。CeO2基催化剂上酸性增强和氧化还原性能降低是拓宽了Ce-P-O催化剂工作温度窗口的主要因素，以纳米TiO2为载体制备的Ce-P-O/TiO2催化剂，经800℃焙烧后几乎不失活，显示出其商业化的价值。（4）Ce-P-O催化剂的商业应用：由于稀土磷酸盐SCR催化剂已显示出非常优异的脱硝性能，一部分工作是围绕解决Ce-P-O基催化剂在商业应用时可能会遇到的问题展开的。另一部分工作是在100公斤规模进行了粉体催化剂的放大实验和成型实验，制备的整体式催化剂已在烟道气条件下进行了验证。2015年与鸿达兴业公司签署合作协议，2016年全面开展稀土脱硝催化剂中试研究。