铈锆固溶体负载氧化铬催化剂的制备及其催化氧化NO的性能研究

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氮氧化物(NOx)是造成酸雨、雾霾等环境污染现象的大气主要污染物,对人类的生活和生产造成危害。燃煤电厂烟气要实现低成本脱硝,最简便的方法是利用烟气中剩余的O2,在催化剂的作用下将NO氧化为可溶性的NO2,该法可实现同时脱硫脱硝以及N资源的循环利用。本文以Cr/CexZr1-xO2为催化剂,考察其催化氧化NO性能,同时对CexZr1-xO2的形貌以及表面结构进行改性,并通过XRD、TEM、BET、XPS、TPD等手段进行分析,研发在不同的烟气状况下具有低催化起活温度、宽活性温度窗口、高催化活性以及高抗水抗硫性能的催化剂。  首先,采用简便的水合法制备了Cr/CexZr1-xO2催化剂,考察Cr与CexZr1-xO2在催化氧化NO过程中的协同催化作用。此外,水合法利于Ce与Cr富集在催化剂表面。当铈锆比为1∶4、10%Cr负载量时,催化剂具有晶粒尺寸小、比表面积大、表面Ce3+与Cr6+含量高的特点,共同提高了催化活性。在390ppm NO、8%O2、以及35400h-1的空速条件下,300℃时NO氧化率达到62%,但此时催化剂的抗水抗硫性能并不理想。  为了提高催化剂的抗水抗硫性能,针对Cr/Ce0.2Zr0.8O2催化剂进行了溶剂改性。考察了不同溶剂在催化剂不同制备过程中对催化剂结构与活性的影响。结果表明不同溶剂在催化剂不同制备过程中的作用是不同的。载体制备过程中溶剂的改变影响整体催化剂的晶粒尺寸、比表面积等结构参数,而浸渍法负载Cr过程中溶剂的选取与Cr物种的表面分散性密切相关。乙二醇与水分别作载体制备和浸渍负载Cr过程中的溶剂时,催化剂颗粒具有颗粒尺寸小、比表面积大、Cr物种表面分散效果好、表面Ce3+与Cr6+含量高等特点,这使得催化剂在不仅具有高催化活性,同时其抗水抗硫性能得到明显改善。  为进一步增大催化剂比表面积,提高催化剂抗水抗硫性能,探讨了含苯环结构的刚性配体助剂对催化剂Cr/Ce0.2Zr0.8O2结构与活性的影响,同时考察了一锅法和分步法之间的区别。研究表明一锅法制备过程简单,且制备的催化剂颗粒尺寸更小、比表面积更大。肉桂酸作配体时,其π-π共轭结构使得前驱体溶液中Ce与Zr的相互作用进一步增强,从而在煅烧后产生了更多的Ce3+,同时也使得Cr物种的表面分散更均匀,这些特性不仅拓宽了催化活性温度窗口,同时使得催化剂的抗水抗硫性能得到了提升,撤去SO2和H2O(g)通入后,催化活性可恢复至初始水平。  基于以上研究结果,进一步考察了刚性配体和溶剂效应共同对催化活性的影响。结果表明,肉桂酸为配体,乙二醇作溶剂时,催化剂不仅具有较高的低温活性和宽活性温度窗口,且催化剂的抗水抗硫性能有了进一步的提高。在H2O(g)和SO2并存时,催化剂仍达到了21%的催化活性。  通过in-situ STEM手段实时观察了催化剂的形核过程,验证了催化剂表面Ce富集的过程。通过离线紫外表征探讨了NO在Cr/CexZr1-xO2催化剂表面的催化氧化反应机理,发现NO主要吸附于Cr6+位点,O2主要吸附于Ce3+位点,反应机理符合Langmuir-Hinshelwood机理。动力学测试结果显示NO催化氧化对NO是0.55级反应,对O2是0.27级反应。
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