前沿研究：铜改性铈基催化剂协同净化氮氧化物和甲醇

以下文章来源于环境前沿 ，作者FESE编辑部

提    要

近来，基于NH3-SCR催化剂同时脱除NOx和VOCs引起了很多关注。然而，VOCs的存在会对脱硝效率产生负面影响，尤其是在低温条件下。本文研究了Cu掺杂改性提升SCZ催化剂协同净化NOx和甲醇的反应性能，发现Cu掺杂提高催化剂低温下的脱硝效率和甲醇氧化性能，其中最佳催化剂（Cu0.05SCZ）在250-350°C温窗内具有85%以上的脱硝效率和90%以上的N2选择性，以及90%以上的甲醇转化和矿化率。对其机理的研究发现铜掺杂可以缓解甲醇对SCR反应的抑制作用、加速表面甲酰胺物种的转化；但过量Cu掺杂会破坏催化剂结构，降低表面酸性，致SCR反应活性温窗变窄。研究可为SCR催化剂在实际应用中协同净化VOCs提供有效指导。

研 究 概 览

本研究制备了不同Cu掺杂含量的系列Sb0.5CeZr2Ox（SCZ）催化剂CuxSCZ（x代表Cu/Ce原子比），并对该催化剂进行表征，对催化活性和稳定性进行了检测。

从脱硝效率来看，Cu的加入可以减弱甲醇对SCZ催化剂脱硝活性的抑制作用，且几乎无损于N2选择性（图2（a、b））。然而，当Cu掺杂量过高时，催化剂的脱硝反应温窗明显变窄。此外，Cu掺杂有效提升了催化剂低温（<250℃）下的甲醇转化率和CO2产率（图2（c、d））。具体来说，在200℃时，Cu0.05SCZ样品的CO2产率较SCZ催化剂增加了约20%。这主要归因于铜改性后催化剂的氧化能力增强。综合考虑SCR反应与甲醇氧化反应效率，Cu0.05SCZ样品为最佳样品，在CH3OH/NOx = 2的条件下，可在250-350°C区间内保持85%以上的脱硝效率及90%以上的N2选择性，同时甲醇转化率和CO2产率均超过90%。

图2 复合污染物活性测试结果：（a）脱硝效率，（b）N2选择性，（c）甲醇转化率，（d）CO2产率

酸性和还原性能表征结果发现，与SCZ样品相比，随着铜掺杂量的增加，强Lewis酸性位点的损失越来越明显（图3）。由于SCZ样品的酸性主要来自于Ce-O-Sb结构，铜改性后催化剂酸性的降低可证实Cu与Ce形成的强相互作用会逐渐破坏已有的Sb-Ce-Zr结构。尽管Sb-Ce-Zr的相互作用受到干扰，但Cu掺杂将催化剂还原峰整体偏移至低温区域，结果表明：Cu的强还原性仍然明显增强了催化剂的氧化还原能力，这也是低温下甲醇和氮氧化物去除效率提高的原因。

研究进一步探讨了Cu改性对催化剂上各种反应物吸附反应行为的影响（图4）。NO-TPD结果发现，甲醇能极大地抑制催化剂表面硝酸盐物种的吸附。但相较于SCZ催化剂，Cu0.05SCZ样品可吸附较多硝酸盐物种以参与SCR反应。此外，NH3氧化测试结果表明，在100-400℃温度范围内和甲醇存在条件下，Cu0.05SCZ样品的NH3转化率高于SCZ样品，证实Cu改性会使NH3在中低温下更容易被激活，进而促进甲醇和NOx在低温下的同步催化净化能力。

编 者 按

当前，NOx和VOCs协同净化对于污染治理设施节能增效具有重要的意义。本工作评估了Cu掺杂改性Sb-Ce-Zr催化剂的NOx和甲醇协同净化性能。因Cu-Ce之间的强相互作用，Cu改性有效提升催化剂的氧化还原能力和表面活性氧含量，增强其对甲醇的深度氧化能力，抑制甲醇对NO吸附和氧化、吸附态NH3活化的负面作用，同时也加速表面甲酰胺物种的转化，实现了低温条件下更好的甲醇和NOx同时去除效果。针对实际工况下一些可能存在的干扰物质（如SO2、CO或其他VOCs等），本文尚未考虑其对协同净化过程的影响，有待后续进一步研究发现。

本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第10期已发表的Research article文章 “Tailoring the simultaneous abatement of methanol and NOx on Sb−Ce−Zr catalysts via copper modification”。通讯作者为浙江大学刘越教授。

引用格式：Xiaoqiang Wang, Yanye Zhu, Yue Liu, Xiaole Weng, Zhongbiao Wu. Tailoring the simultaneous abatement of methanol and NOx on Sb−Ce−Zr catalysts via copper modification. Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(10): 130

转自：“高教学术”微信公众号

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