Promotional roles of ZrO_2 and WO_3 in V_2O_5-WO_3/TiO_2-ZrO_2 catalysts for NO_x reduction by NH_3:Catalytic performance,morphology,and reaction mechanism  被引量:8

V_2O_5-WO_3/TiO_2-ZrO_2脱硝催化剂中ZrO_2和WO_3的促进作用:催化性能、形态及反应机理(英文)

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作  者:张亚平[1] 王龙飞[1] 李娟[1] 张会岩[1] 徐海涛[1,2] 肖睿[1] 杨林军[1] 

机构地区:[1]东南大学能源与环境学院能源热转换及其过程测控教育部重点实验室,江苏南京210096 [2]南京宇行环保科技有限公司,江苏南京211102

出  处:《Chinese Journal of Catalysis》2016年第11期1918-1930,共13页催化学报(英文)

基  金:supported by the National Natural Science Foundation of China(51306034);Key Research&Development Projects of Jiangsu Province(BE2015677);the National Basic Research Program of China(2013CB228505)~~

摘  要:V2O5/TiO2-ZrO2 catalysts containing various amounts of WO3 were synthesized.The catalyst morphologies,catalytic performances,and reaction mechanisms in the selective catalytic reduction of NOx by NH3 were investigated using in situ diffuse-reflectance infrared Fourier-transform spectroscopy,temperature-programmed reduction(TPR),X-ray diffraction,and the Brunauer-Emmett-Teller(BET) method.The BET surface area of the triple oxides increased with increasing ZrO2 doping but gradually decreased with increasing WO3 loading.Addition of sufficient WO3 helped to stabilize the pore structure and the combination of WO3 and ZrO2 improved dispersion of all the metal oxides.The mechanisms of reactions using V2O5-9%WO3/TiO2-ZrO2 and V2O5-9%WO3/TiO2were compared by using either a single or mixed gas feed and various pretreatments.The results suggest that both reactions followed the Eley-Ridel mechanism;however,the dominant acid sites,which depended on the addition of WO3 or ZrO2,determined the pathways for NOx reduction,and involved[NH4^+-NO-Bronsted acid site]^* and[NH2-NO-Lewis acid site]^* intermediates,respectively.NH3-TPR and H2-TPR showed that the metal oxides in the catalysts were not reduced by NH3 and O2did not reoxidize the catalyst surfaces but participated in the formation of H2O and NO2.商业选择性催化还原(SCR)催化剂成分主要有V_2O_5,WO_3和TiO_2,但适用温度窗口较窄(300-400℃),使得实际操作过程中活性较低.目前,过渡金属广泛应用于催化剂制备中以提高其催化活性.相比于纯TiO_2和ZrO_2载体,TiO_2-ZrO_2具有较高的热稳定性以及较多的酸位,虽然有关TiO_2-ZrO_2为载体的催化剂研究较多,但未与商业催化剂进行对比研究.而针对NH_3-SCR脱硝机理的实验研究也存在一些争议,主要原因归为以下两方面:(1)多数催化剂不同会直接导致催化剂的活性酸位不同;(2)不同NH_3-SCR脱硝催化剂的起活温度不同.同时,NH_3和NO在反应温度的吸附情况仍需要进一步研究.因此,有必要深入探究NH_3-SCR脱硝机理,以解决现行研究中存在的问题.本文首先采用共沉淀法制备摩尔比为1:1的TiO_2-ZrO_2固溶体,并分步浸渍不同质量比的WO_3和1%V_2O_5,最终得到一系列1%V_2O_5-x%WO_3/TiO_2-ZrO_2.然后通过X射线衍射(XRD)和比表面积测试(BET)、程序升温还原(TPR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)研究了WO_3和ZrO_2对催化性能的影响以及V_2O_5-WO_3/TiO_2-ZrO_2催化剂的反应机理.N2物理吸附结果表明,WO_3的添加使得催化剂孔结构的热稳定性有所提高,同时随着WO_3含量增加催化剂的比表面积逐渐减小,但仍高于V_2O_5/TiO_2-ZrO_2催化剂;ZrO_2对催化剂比表面积增大效果比较明显.结合XRD结果表明,WO_3能促进金属氧化物在载体上的分散;相比于V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂,ZrO_2有利于活性组分的分散负载.比较系列V_2O_5-x%WO_3/TiO_2-ZrO_2的氨吸附情况,发现WO_3的添加增加了Br?nsted酸的稳定性,其中以9%WO_3的效果最显著.催化剂氨吸附中间物种(–NH_2)的发现,证实了WO_3添加促进了NH_3的活化,有利于脱硝反应的进行.SCR反应结果显示,V_2O_5-9%WO_3/TiO_2-ZrO_2催化剂在300–450 ℃时NO_x转化效率最优,并发现O_2的存在促进了NO_x的转化.采用in situ DRIFTS研究了V_2

关 键 词:ZIRCONIA Tungsten oxide Selective catalytic reduction by ammonia In situ infrared diffuse-reflectance Fourier-transform spectroscopy Reaction mechanism 

分 类 号:O643.36[理学—物理化学]

 

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