Cu基分子筛NH_3-SCR脱硝催化剂的研究进展

目前铜基分子筛催化剂在较宽温度窗口内具有良好的SCR活性、高的N2选择性和水热稳定性,成为柴油车尾气净化领域最有应用前景的催化剂。因此对Cu基分子筛Cu-ZSM-5、Cu-SSZ-13和Cu-SAPO-34的脱硝性能进行了对比研究,综述了其活性物种类型、位置与催化活性的关系和这些催化剂的NH3-SCR反应机理。     

Cu-CeSAPO-34的制备及其在汽车尾气催化净化中的应用

近年来随着经济的快速发展,我国汽车保有量急剧增长,汽车尾气对环境的污染日趋严重。基于Cu-SAPO-34催化剂价格低廉且NO_x转化率高、反应温窗宽、N_2选择性高等优良性质以及易硫中毒的特性。首先通过水热合成法将Ce引入SAPO-34分子骨架中获得CeSAPO-34分子筛,然后采用离子交换法以制备具有更好脱硝活性和抗硫性能的Cu-CeSAPO-34催化剂。     

基于NH3-SCR反应铜基小孔分子筛催化剂Na中毒对比研究

以浸渍法模拟碱金属中毒NH₃-SCR催化剂过程,制备不同Na含量（质量分数）的铜基小孔分子筛Cu/SSZ-13和Cu/SAPO-34,对比研究了二者的碱金属中毒机理。结果表明,外引Na离子均可严重影响两种催化剂的NH₃-SCR催化活性,造成催化剂的晶相结构坍塌,酸性量减少,活性物种减少。不同的是,Na引入量较低（<1.82%）时,Cu/SAPO-34比Cu/SSZ-13具有更强的Na离子耐受性,而当Na含量高于3.48%时,Cu/SAPO-34几乎完全丧失NH₃-SCR催化活性。通过催化剂的结构表征（BET、XRD和SEM）和酸性位表征（DRIFTS、NH₃-TPD和H₂-TPR）,研究表明随着Na中毒程度的加深,Cu/SSZ-13的结构破坏是渐变式的,而Cu/SAPO-34的结构破坏是突变式的;Na中毒的机理研究表明,酸性位的减少是Cu/SSZ-13的SCR活性下降的主导原因,结构坍塌是Cu/SAPO-34的SCR活性下降的主导原因。     

可再生SCR催化剂在烟气脱硝优化改造中的应用

针对燃煤电厂烟气脱硝工艺优化改造的需要,以目标燃煤电厂失活SCR催化剂为研究对象,采用酸洗法对其进行了再生试验研究,并以脱硝效率为评价指标,考察了不同试验参数对再生SCR催化剂脱硝效率的影响。结果表明,当硫酸物质的量浓度为0.5 mol/L,酸洗时间为30 min时,再生SCR催化剂的活性可以达到最佳,脱硝效率可以达到最大。再生SCR催化剂的脱硝效率与新鲜SCR催化剂基本相当,并且随着温度、空速和氧气浓度的增大,脱硝效率均呈先升高后降低的趋势。当温度为350℃,空速为5 000 h^-1,氧气体积分数为5%时,再生SCR催化剂的脱硝效率最大。再生SCR催化剂具有良好的脱硝效果,能够满足目标燃煤电厂烟气脱硝优化改造施工的需求。     

Cu负载量及改性对Cu/SAPO-34催化剂NH_3-SCR性能的影响

通过浸渍法制备了不同负载量的Cu/SAPO-34和Cu-Ce/SAPO-34催化剂,探究Cu、Ce负载量对催化剂性能的影响。结果表明,4%负载量的Cu/SAPO-34催化剂表现出优异的NH_3-SCR性能,在231～586℃时转化率均达到80%以上,最高脱硝效率达到98. 79%。通过共负载过渡金属Cu和Ce元素,提高了催化剂的中低温NH_3-SCR性能,拓宽了催化剂活性温度窗口。XRD、H_2-TPR、NH_3-TPD表征结果表明,掺杂Ce元素可以抑制CuO生成,同时可以促进活性较高的Cu~(2+)生成。增加Cu负载量可以提高Cu/SAPO-34催化剂酸性位的数量,Ce元素的掺杂占据分子筛载体的B酸性位,造成催化剂的中强度酸性位数量减少,Cu/Ce物质的量的比为4∶5时最佳。     

燃煤电厂真实烟气条件下SCR催化剂脱硝性能

制备了具有工业应用价值的V₂O₅/TiO₂负载WO₃与MoO₃的蜂窝状SCR催化剂,并在某燃煤电厂烟气环境下,对其催化性能进行了测试,结果表明:增大催化剂体积能够提高脱硝效率,但活性增量逐步下降,当脱硝效率达到80%以上时,继续增大催化剂体积其活性提高不显著。催化剂的脱硝活性随着积灰时间的延长而降低,脱硝系统运行4 h后,催化剂脱硝活性减少9.4%。在燃煤电厂尾气飞灰浓度约为0.031 kg·m^-3环境下,为满足尾气中NO_x浓度排放要求(<200 mg·m^-3),每连续运行6 h需进行一次吹灰。催化剂的脱硝性能随着运行时间的延长,先急剧下降,后缓慢降低。在连续运行48~168 h范围内,脱硝活性下降值小于1%,SO₂氧化率下降值小于0.1%。在12个月内,平均每连续运行700 h,脱硝活性降低1%。     

燃煤电厂脱硝反应用低温SCR催化剂的制备及性能评价

以泡沫金属镍、九水合硝酸铁和硝酸锰为主要原料,采用浸渍法制备了1种适合燃煤电厂脱硝反应用低温SCR催化剂,对其制备工艺参数进行了优化,并对其脱硝性能进行了评价。结果表明,最佳制备工艺参数如下：Fe负载量为8%、Mn负载量为4%、煅烧温度为500℃;当n(NH₃)∶n(NO)为1.0∶1、O₂含量为5%、空速为30 000 h^-1时,低温SCR催化剂Fe₈Mn₄/Ni对模拟烟气的脱硝效率较高,当温度为160℃时,脱硝效率达到85%以上,能够满足低温条件下的使用需求。     

一步法制备高活性NH3-SCR催化剂Cu-SAPO-34：Si含量的影响

NH₃选择性催化还原（NH₃-SCR）可以有效脱除机动车尾气中的氮氧化物（NO_x）,开发在中低温下具有高活性且环境友好的低成本催化剂是该技术的关键。以廉价的商品吗啡啉为模板剂,新型络合物Cu-TEPA兼作Cu源和共模板剂,一步水热合成法制备出Cu-SAPO-34分子筛。发现随着Si含量增加,Cu-SAPO-34的结晶度逐渐降低,酸性位点和孤立Cu²⁺的数量逐渐减少。通过固定床实验系统研究了3种Si含量的Cu-SAPO-34在不同空速下的NH₃-SCR性能。结果表明,在气体体积空速（GHSV=40000~120000 h^-1）下,Cu-SAPO-34均表现出较优异的SCR活性;当SiO₂/Al₂O₃摩尔比为0.2时,具有理想的低温活性（转化率>90%）和较宽的温度窗口（225~425℃）。     

n(硅)/n(铝)对Cu-SAPO-34催化剂C_3H_6-SCR性能的影响

Cu-SAPO-34分子筛是一种高性能氮氧化物选择催化还原(SCR)催化剂,其载体SAPO-34对催化剂的氮氧化物催化消除活性有重大影响。采用水热合成法制备了n(硅)/n(铝)为0.4、0.6和0.8的SAPO-34分子筛,X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)结果表明随着n(硅)/n(铝)的增大SAPO-34分子筛的结晶度增高,粒度减小;氨气程序升温脱附(NH3-TPD)结果显示n(硅)/n(铝)为0.8时分子筛的酸量最大。综上所述,n(硅)/n(铝)为0.8时Cu-SAPO-34催化剂表现出最佳的丙烯选择性催化还原(C3H6-SCR)性能。     

Fe改性Cu-SSZ-13的方法对催化剂NH3-SCR脱硝性能的影响

为了解决柴油车尾气中的NO_x污染环境的问题,分别用离子交换法（IE）、湿浸渍法（IWI）和固态离子交换法（SSIE）制备了3种Fe/Cu-SSZ-13分子筛催化剂,考察了其对NH₃选择性催化还原NO（NH₃-SCR）的催化性能,并运用XRD、BET、FTIR、UV-Vis DRS,H₂-TPR等方法对催化剂进行了表征。结果表明,经Fe改性Cu-SSZ-13后,催化剂有很好的抗高空速性能、较宽的温度窗口、很好的水热稳定性和更好的高温还原能力。制备方法对Fe/Cu-SSZ-13的脱硝活性影响不同,在150～400℃温度范围时,3种催化剂的SCR活性顺序为：Fe（5.5%）-IE >Fe（5.4%）-SSIE >Fe（5.5%）-IWI;然而高于400℃时,SCR活性顺序为：Fe（5.5%）-IE >Fe（5.5%）-IWI >Fe（5.4%）-SSIE。表征结果显示,3种方法制备的催化剂进行比较,离子交换法制备的Fe含量为5.5%的催化剂表现出最好的水热稳定性、最大的比表面积以及最好的催化活性,其在175～500℃内NO的转化率达到90%以上,因此Fe（5.5%）-IE是首选的NH₃-SCR催化剂。     

Comparison study of Na poisoning effect on copper-based chabazite micropore catalysts for NH3-SCR reaction

Using wet impregnation method to mimic alkali metal poison of ammonia-selective catalytic reduction (NH₃-SCR) catalysts, Cu-based micropore zeolites Cu/SSZ-13 and Cu/SAPO-34 with different Na contents(mass fraction) were prepared, and the Na poisoning mechanism on them was studied. The results show that the externally introduced Na ions can severely affect the NH₃-SCR catalytic activity of the two catalysts, resulting in the collapse of the crystal structure of the catalyst, the decrease of acidity and the reduction of active species. In detail, when Na content was less than 1.82%, Cu/SAPO-34 has higher resistance of Na ions than Cu/SZZ-13; while when Na> 3.48%, Cu/SAPO-34 catalysts almost deactivated thoroughly. By structural characterization (BET, XRD and SEM) and acidity characterization (DRIFTS, NH₃-TPD and H₂-TPR), it was found that with Na poisoning deeper and deeper, Cu/SSZ-13 took a gradual style of the structural destruction, but Cu/SAPO-34 adopted a sudden way. Studies on the mechanism of Na poisoning show that the decrease of acid sites is the main reason for the decrease of SCR activity of Cu/SSZ-13, and the structural collapse is the main reason for the decrease of SCR activity of Cu/SAPO-34.     

Cu/SSZ-13催化剂脱硝活性中心与催化性能构效关系的研究

NH₃选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）是目前最有应用前景的柴油车尾气净化技术,该技术的核心是开发具备优异催化性能的催化剂。以具有菱沸石（chabazite,CHA）结构的小孔分子筛SSZ-13为载体制备的Cu/SSZ-13催化剂,因具有优异的催化性能和水热稳定性能而受到广泛关注。制备了系列Cu_x/SSZ-13催化剂,并通过CO原位漫反射红外光谱（DRIFT）和H₂-TPR等方法能够确定具有高催化活性的铜离子在SSZ-13分子筛上的落位和存在状态。CO红外吸附实验发现,采用Cu(NO₃)₂水溶液离子交换法制备的Cu/SSZ-13催化剂上存在多种落位的Cu⁺活性中心。在较低的Cu⁺交换度条件下,Cu⁺优先落位于SSZ-13分子筛的八元环位置,随着交换度的提高,Cu⁺开始落位于SSZ-13分子筛双六元环的位置。H₂-TPR结果表明Cu_x/SSZ-13催化剂上也存在大量落位在八元环位置不稳定的Cu²⁺,这些Cu²⁺很容易被还原为Cu⁺。Cu_x/SSZ-13催化剂经800℃水蒸气连续老化16 h,分子筛骨架崩塌程度随着Cu含量的增加而提高,骨架铝的脱除,导致Cu物种发生团聚,而第二金属Ce元素的引入能够在一定程度上提高Cu/SSZ-13的水热稳定性。催化剂构效关系研究表明,具有一定量稳定存在的Cu⁺,并且拥有大量不稳定存在Cu²⁺的催化剂具有较宽温度范围的脱硝性能。     

Cu/CHA NH3-SCR催化剂硫中毒及再生研究进展

柴油车NO_x排放成为我国空气治理的核心之一。铜基菱沸石型小孔分子筛催化剂（Cu/CHA）因其低温高活性、高N₂选择性、宽温度窗口和优异的水热稳定性已成为新一代柴油车脱硝催化剂首选。然而Cu/CHA催化剂在使用过程中易受硫氧化物影响,使其低温NO_x性能大幅下降限制其高效利用。针对以上问题,在综述了Cu/CHA催化剂NH₃-SCR反应活性中心及微观反应机理研究现状的基础上,总结了Cu/CHA催化剂NH₃-SCR反应的硫中毒进展,重点阐述了硫氧化物影响下,Cu/CHA催化剂活性中心、骨架及活性变化间的内在规律;同时归纳了Cu/CHA硫中毒后相关再生方法及其研究进展,能够为Cu/CHA催化剂进一步高效利用提供可靠依据及研究方向。     

Insight into the promotional mechanism of Cu modification towards wide-temperature NH3-SCR performance of NbCe catalyst

A simple strategy of Cu modification was proposed to broaden the operation temperature window for NbCe catalyst. The best catalyst Cu_0.010/Nb₁Ce₃ presented over 90% NO conversion in a wide temperature range of 200-400 ℃ and exhibited an excellent H₂O or/and SO₂ resistance at 275 ℃. To understand the promotional mechanism of Cu modification, the correlation among the “activity-structure-property” were tried to establish systematically. Cu species highly dispersed on NbCe catalyst to serve as the active component. The strong interaction among Cu, Nb and Ce promoted the emergence of NbO₄ and induced more Brønsted acid sites. And Cu modification obviously enhanced the redox behavior of the NbCe catalyst. Besides, EPR probed the Cu species exited in the form of monomeric and dimeric Cu²⁺, the isolated Cu²⁺ acted as catalytic active sites to promote the reaction: Cu²⁺-NO₃^-+NO(g) → Cu²⁺-NO₂^-+NO₂(g). Then the generated NO₂ would accelerate the fast-SCR reaction process and thus facilitated the low-temperature deNO efficiency. Moreover, surface nitrates became unstable and easy to decompose after Cu modification, thus providing additional adsorption and activation sites for NH₃, and ensuring the improvement of catalytic activity at high temperature. Since the NH₃-SCR reaction followed by E-R reaction pathway efficaciously over Cu_0.010/Nb₁Ce₃ catalyst, the excellent H₂O and SO₂ resistance was as expected.     

CuO改性商用选择性催化还原催化剂催化氧化单质汞性能

燃煤烟气中单质汞（Hg⁰）的高效氧化是提高燃煤电厂脱汞效率的关键,为提高传统选择性催化还原（SCR）催化剂氧化Hg⁰的性能,本文采用溶液浸渍法制备了CuO-SCR催化剂,在固定床反应装置上考察了其脱硝协同氧化单质汞性能,并借助BET、XRD和XPS等分析技术对催化剂进行表征。结果表明,CuO的掺杂显著提高了商用SCR催化剂的Hg⁰氧化性能和低温脱硝活性;在200~400℃内,随着反应温度升高和NO+NH₃浓度增大,NH₃对CuO-SCR催化剂的Hg⁰氧化性能抑制作用加强;在350℃、模拟燃煤烟气条件下,随着空速比的减小,催化剂的Hg⁰氧化性能显著提高,NH₃对Hg⁰氧化的抑制作用明显减弱。催化剂表征结果表明,CuO-SCR催化剂表面存在氧化还原反应V⁴⁺+Cu²⁺?V⁵⁺+Cu⁺,增强了催化剂的催化活性。Hg⁰在CuO-SCR催化剂表面的氧化过程遵循Mars-Maessen机制,能够有效增强催化剂的Hg⁰氧化性能。     

铜系低温选择性催化还原脱硝催化剂的研究进展

选择性催化还原（SCR）技术已广泛应用在燃煤电站烟气脱硝技术中,开发低温高活性、高抗中毒性能的催化剂体系已经成为国内外学者的研究重点。Cu系催化剂由于具有良好的脱硝性能及水热稳定性,得到了广泛的研究和关注。本文综述了近年来活性组分Cu负载在TiO₂、Al₂O₃、碳基材料和分子筛等材料上的研究进展;重点分析了Cu系催化剂低温SCR反应机理,主要包括Eley-Rideal （E-R）机理和Langmuir-Hinshelwood （L-H）机理,同时分析了SCR反应的两个必然过程：吸附（NH₃吸附和NO_x吸附）和反应;简要地介绍了Cu系催化剂的抗水抗硫中毒性能研究现状以及反应机理,同时介绍了碱金属中毒、飞灰和催化剂烧结对催化剂失活的影响,结合生命周期分析SCR脱硝系统还原剂氨和尿素对NO排放的影响。在此基础上展望了未来铜系催化剂的研究方向：采用新型方式对催化剂进行改性、进一步采用表征和模拟技术研究催化体系的反应机理、优化锅炉和催化剂设计减轻催化剂失活以及研究适用于其他还原剂条件的高选择性催化剂。     

焙烧程序对一步合成Cu-SSZ-13催化剂NH3-SCR性能的影响

焙烧程序影响一步合成法制备Cu-SSZ-13催化剂中Cu物种的种类及分布,是影响催化剂在NH₃选择性催化还原（NH₃-SCR）氮氧化物反应中催化性能的重要因素。为研究焙烧程序对该方法制备Cu-SSZ-13催化剂性能的影响,采用不同的焙烧温度及升温速率制备Cu-SSZ-13催化剂,并考察各催化剂的催化活性、水热稳定性及活性物种形态。结果表明焙烧温度不改变催化剂的晶型结构,但影响催化剂的活性物种形态及稳定性。当焙烧温度为600℃时,催化剂中Cu物种全部为孤立的Cu²⁺,并具有极高的稳定性,催化剂具有最佳的活性及水热稳定性。固定焙烧温度为600℃,随升温速率的提高,催化剂活性及水热稳定性表现出下降趋势,考虑经济成本,最佳的升温速率应为1℃/min。因此,以1℃/min的升温速率升至600℃焙烧6h是一步合成法制备Cu-SSZ-13催化剂的最佳焙烧程序,所得催化剂具备优异的NH₃-SCR活性和水热稳定性。     

MnOx/WO3/TiO2低温选择性催化还原NOx机理的原位红外研究

浸渍法制备15% MnO_x/5% WO₃/TiO₂低温脱硝催化剂,利用原位傅里叶变换红外（in situ FT-IR）设计包括多种吸附反应以及不同预处理方式的微观暂态试验与微观稳态试验,研究其NH₃-SCR脱硝反应机理,并推测反应路径。结果表明,催化剂的NH₃-SCR反应主要以Eley-Rideal机理方式进行,仅在一定温度条件下可以看到Langmuir-Hinshclwood反应路径。催化剂表面Lewis酸位的NH₃吸附是还原剂的主要来源,Brønsted酸位吸附的NH₄⁺随温度上升参与反应的比例略有提高。NH₃的吸附活化是整个反应的控制步骤,吸附态NH₃更易与NO₂发生反应,NO与催化剂表面的相互作用明显弱于NO₂。NO会在催化剂表面氧化活性中心形成大量双齿配位型硝酸盐,阻碍NH₃的吸附和活化,O₂存在条件下促进NH₃-SCR反应进行,阻止NO在催化剂表面形成双齿硝酸盐。NO与NH₃在催化剂表面存在吸附竞争,NO的吸附作用强于NH₃,温度达到100℃后吸附的NH₃方可大量活化并与NO_x发生进一步反应。