中國科學院城市環境研究所亮點文章：TiO2修飾的CeVO4催化劑用于NH3選擇性催化還原NOx

中國科學院城市環境研究所亮點文章：TiO₂修飾的CeVO₄催化劑用于NH₃選擇性催化還原NO_x

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一、【導讀】

工業煙氣排放的氮氧化合物（NO_x）嚴重危害環境以及人體健康。NH₃選擇性催化還原NO_x（NH₃SCR）是一種有效的脫硝方法，可研究用于去除環境中的NO_x。釩基催化劑如V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂已被廣泛應用于商用NH₃-SCR催化劑。然而，這類催化劑通常工作溫度窗口較窄，約為300-400℃，熱穩定性較弱。因此，迫切需要開發一種具有優異低溫活性的新型NH₃-SCR催化劑，用于除塵脫硫后煙氣脫硝。

近年來，在NH₃-SCR反應中，人們一直致力于開發新型釩酸鹽催化劑，但釩酸鹽的NH₃-SCR活性有待提高。眾多科學家在改性釩酸鹽催化劑的研究上付出了巨大努力，以提高其催化活性。研究發現，通過在釩酸鹽催化體系中引入摻雜劑，可以提高其活性和對H₂O和SO₂的耐受性。TiO₂具有較大的比表面積和較高的SO₂抗性，被廣泛用于NH₃-SCR催化劑的載體。

二、【成果掠影】

在此，中國科學院城市環境研究所單文坡研究員團隊采用均相沉淀法制備了TiO₂改性CeVO₄催化劑，其中CeVTi₅催化劑在高體積空速（GHSV）下表現出最佳的低溫選擇性催化還原（NH₃-SCR）活性。CeVTi₅催化劑也表現出良好的H₂O和SO₂耐久性。研究人員采用XRD、BET、Raman光譜、程序升溫還原H₂（H₂-TPR）、XPS和NH₃-TPD對催化劑進行了表征，證明材料的成功合成。研究發現，TiO₂的引入減小了CeVO₄的晶粒尺寸，增加了催化劑比表面積和路易斯酸位點的數量，促進了活性Ce和V物種的分散，增強了Ce、V和Ti之間的氧化還原能力和相互作用，這有利于NH₃-SCR反應。根據原位DRIFTS結果，TiO₂的改性增加了路易斯酸位點的數量，促進了NO_x的吸附。在CeVTi₅催化劑上，NH₃-SCR反應同時遵循Langmuir -Hinshelwood和Eley-Rideal機制，而在CeVO₄催化劑上只觀察到Eley-Rideal機制。

相關研究成果以“TiO₂-modified CeVO₄ catalyst for the selective catalytic reduction of NO_x with NH₃?”為題發表在國際知名期刊CatalysisScience &Technology上。

三、【核心創新點】

1、該研究采用均相沉淀法制備了TiO₂改性CeVO₄催化劑CeVTi₅， CeVTi₅催化劑在高體積空速（GHSV）下表現出最佳的低溫選擇性催化還原（NH₃-SCR）活性。

2、TiO₂的引入減小了CeVO₄的晶粒尺寸，增加了催化劑比表面積和路易斯酸位點的數量，促進了活性Ce和V物種的分散，增強了Ce、V和Ti之間的氧化還原能力和相互作用，這有利于NH₃-SCR反應。

四、【數據概覽】

圖1 Ce-V-Ti催化劑的NO_x轉化率（a）和N₂選擇性（b） Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖2 CeVTi₅和CeVO₄催化劑在250 ℃ GHSV為200000 h^?1時的H₂O和SO₂耐久性測試（a）和CeVTi₅在GHSV為50000 h^?1時的H₂O耐久性測試（b）Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖3 Ce-V-Ti催化劑的XRD譜圖 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖4 Ce-V-Ti催化劑的拉曼光譜（λ_ex = 532 nm） Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖5 Ce-V-Ti催化劑H₂-TPR結果 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖6 Ce–V–Ti催化劑的Ce 3d（a）、V 2p（b）、Ti 2p（c）和O1s（d）的XPS結果 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖7 Ce–V–Ti催化劑的NH₃-TPD結果 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖8 175°C下CeVO₄和CeVTi₅催化劑上NH₃吸附（a）和NO + O₂吸附（b）的DRIFT光譜 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

圖9 在175 ℃下，NO + O₂與預先吸附在CeVO₄（a）和CeVTi₅（b）上的NH₃反應，NH₃與預先吸附的NO + O₂在CeVTi₄（c）上反應，NH₃-SCR在CeVTi₅（d）上反應的原位DRIFT光譜 Copyright ? The Royal Society of Chemistry 2022.

?五、【成果啟示】

綜上所述，該研究制備了TiO₂改性CeVO₄催化劑，成功促進了NH₃-SCR反應活性。制備的CeVTi₅催化劑在高GHSV下表現出優異的低溫催化活性和N₂選擇性，并具有較強的SO₂和H₂O抗性。TiO₂改性所帶來的催化性能的提高主要是由于晶粒尺寸減小，比表面積增大，活性Ce和V分散，氧化還原性能和酸性增強。根據原位DRIFTS結果，在CeVTi₅催化劑上NH₃-SCR反應同時遵循L-H和E-R機制，而在CeVO₄催化劑上只觀察到E-R機制。

原文詳情：TiO₂-modified CeVO₄ catalyst for the selective catalytic reduction of NO_x with NH₃?，2022，https://doi.org/10.1039/d2cy00848c）

本文由LWB供稿。