清华大学&上海大学ACS Catal.:中毒还是促进?磷对V2O5-WO3/TiO2催化剂NH3-SCR活性的新认识


【引言】

燃料燃烧过程中形成的氮氧化物,是形成酸雨和光化学烟雾等的元凶之一,并且对人类的健康也构成了严重危害。控制氮氧化物的排放是当前大气污染防治的重中之重,选择性催化还原(SCR)技术是目前最有效的氮氧化物控制技术之一,在固定源和移动源的尾气治理中都发挥了重要的作用。其中,以V2O5-WO3/TiO2为主的商业催化剂被广泛应用于火电、钢铁、建材等行业,然而,由于实际工业过程中的烟气条件复杂,烟气或是粉尘中的其他物质很容易造成催化剂的中毒失活。长期以来,磷被认为会造成钒基催化剂的中毒,一般认为,磷会通过带来表面遮蔽和孔洞堵塞等物理失活,以及由于催化氧化还原性能的降低而引起的化学失活来降低V2O5-WO3/TiO2催化剂的活性。然而,在实际生产中,磷也可以用作造粒添加剂,以提高工业挤压成型的整体V2O5-WO3/TiO2催化剂的机械强度。因此,磷的掺入对催化剂结构的改变和本征性能的影响有待进一步的讨论。

【成果简介】

近日,清华大学李俊华教授上海大学明红教授研究团队合作陈建军研究员徐刚研究员共同通讯作者)通过调控掺杂手段,发现通常被认为是中毒物质的磷对V2O5-WO3/TiO2催化剂也可以表现出促进作用,其可以在不影响N2选择性和抗H2O/SO2稳定性的情况下,使催化剂的本征活性提高至2倍。研究表明,磷的引入同时增强了V2O5-WO3/TiO2催化剂上的Brønsted和Lewis酸位,并且通过时间分辨红外验证了Lewis酸位上吸附的NH3在SCR反应中发挥了更重要的作用。通过对表面钒物种的分析,发现磷可以提高表面钒物种的团聚度(二聚态和低聚物的钒含量从77%增加至90%)。同时,观察到磷与钨之间存在的相互作用,促进了磷和钨物种的分散,从而更有利于聚合态钒物种的附着。这项研究揭示了磷对V2O5-WO3/TiO2催化剂的促进作用,对钒基催化剂的基础认识和设计改进具有重要意义。该成果以题为Promoter rather than Inhibitor: Phosphorous Incorporation Accelerates the Activity of V2O5-WO3/TiO2Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NOxby NH3的文章发表在了ACS Catalysis上。

【图文导读】

图1VW/Ti和xP-VW/Ti催化剂的活性表征和动力学分析

(a)在250℃下,VW/Ti和xP-VW/Ti催化剂上NH3-SCR的NOx转化率。

(b)VW/Ti和1P-P-VW/Ti催化剂的TOFs。

(c)通过Eley-Rideal机理(kE-R)和Langmuir-Hinshelwood机理(kL-H)的SCR反应的速率常数。

图2VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂的的酸性表征

(a)VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂的NH3-TPD光谱。

(b,c)VW/Ti(b)和1P-VW/Ti(c)催化剂上吡啶吸附的IR光谱。

(d)在不同温度下Brønsted和Lewis酸位的强度。

图31P-VW/Ti催化剂的原位时间分辨红外光谱

(a)在1P-VW/Ti催化剂上,在250℃下,NO(500 ppm)+ O2(5%)与预吸附的NH3(500 ppm)物种反应的原位时间分辨红外光谱。

(b)在250℃条件下,VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂上,BNH3和LNH3的时间演变规律。

图4VW/Ti和1P-VW/Ti的原位拉曼光谱和NMR光谱

(a)在200℃,5%O2/He的气氛下,VW/Ti和1P-VW/Ti的原位拉曼光谱。

(b)VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂的51V中心带NMR光谱。

5VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂的结构表征

(a)VW/Ti和1P-VW/Ti催化剂的XRD曲线。

(b)在200℃,5% O2/He气氛下,V/Ti, VW/Ti、1P-V/Ti和1P-VW/Ti催化剂的原位拉曼光谱。

小结

研究团队证明了通过调控磷的掺入形式可以使V2O5-WO3/TiO2催化剂上NH3-SCR反应的本征活性提高至2倍,并且不影响N2的选择性和对H2O和SO2的稳定性。V2O5-WO3/TiO2中磷的掺入增加了Brønsted和Lewis酸性位点的数量,特别是在Lewis酸位点上吸附的NH3,其与NO反应的速率要快得多。通过磷和钨之间的相互作用引起的空间效应,表面钒基物质的聚合度显着增加,这也导致NH3-SCR反应速率提高。研究结果揭示了磷对V2O5-WO3/TiO2催化剂的促进作用,这对于从根本上理解V2O5-WO3/TiO2催化剂上的NH3-SCR反应,以及设计出更好的钒基催化剂来消除NOx具有重要意义。

文献链接:Promoter rather than Inhibitor: Phosphorous Incorporation Accelerates the Activity of V2O5-WO3/TiO2Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NOxby NH3(ACS Catal., 2020,DOI:10.1002/adfm.201908367)

本文由木文韬翻译,欧洲足球赛事 整理编辑。

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