中国科学院城市环境研究所亮点文章：TiO2修饰的CeVO4催化剂用于NH3选择性催化还原NOx

中国科学院城市环境研究所亮点文章：TiO₂修饰的CeVO₄催化剂用于NH₃选择性催化还原NO_x

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一、【导读】

工业烟气排放的氮氧化合物（NO_x）严重危害环境以及人体健康。NH₃选择性催化还原NO_x（NH₃SCR）是一种有效的脱硝方法，可研究用于去除环境中的NO_x。钒基催化剂如V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂已被广泛应用于商用NH₃-SCR催化剂。然而，这类催化剂通常工作温度窗口较窄，约为300-400℃，热稳定性较弱。因此，迫切需要开发一种具有优异低温活性的新型NH₃-SCR催化剂，用于除尘脱硫后烟气脱硝。

近年来，在NH₃-SCR反应中，人们一直致力于开发新型钒酸盐催化剂，但钒酸盐的NH₃-SCR活性有待提高。众多科学家在改性钒酸盐催化剂的研究上付出了巨大努力，以提高其催化活性。研究发现，通过在钒酸盐催化体系中引入掺杂剂，可以提高其活性和对H₂O和SO₂的耐受性。TiO₂具有较大的比表面积和较高的SO₂抗性，被广泛用于NH₃-SCR催化剂的载体。

二、【成果掠影】

在此，中国科学院城市环境研究所单文坡研究员团队采用均相沉淀法制备了TiO₂改性CeVO₄催化剂，其中CeVTi₅催化剂在高体积空速（GHSV）下表现出最佳的低温选择性催化还原（NH₃-SCR）活性。CeVTi₅催化剂也表现出良好的H₂O和SO₂耐久性。研究人员采用XRD、BET、Raman光谱、程序升温还原H₂（H₂-TPR）、XPS和NH₃-TPD对催化剂进行了表征，证明材料的成功合成。研究发现，TiO₂的引入减小了CeVO₄的晶粒尺寸，增加了催化剂比表面积和路易斯酸位点的数量，促进了活性Ce和V物种的分散，增强了Ce、V和Ti之间的氧化还原能力和相互作用，这有利于NH₃-SCR反应。根据原位DRIFTS结果，TiO₂的改性增加了路易斯酸位点的数量，促进了NO_x的吸附。在CeVTi₅催化剂上，NH₃-SCR反应同时遵循Langmuir -Hinshelwood和Eley-Rideal机制，而在CeVO₄催化剂上只观察到Eley-Rideal机制。

相关研究成果以“TiO₂-modified CeVO₄catalyst for the selective catalytic reduction of NO_xwith NH₃†”为题发表在国际知名期刊CatalysisScience &Technology上。

三、【核心创新点】

1、该研究采用均相沉淀法制备了TiO₂改性CeVO₄催化剂CeVTi₅， CeVTi₅催化剂在高体积空速（GHSV）下表现出最佳的低温选择性催化还原（NH₃-SCR）活性。

2、TiO₂的引入减小了CeVO₄的晶粒尺寸，增加了催化剂比表面积和路易斯酸位点的数量，促进了活性Ce和V物种的分散，增强了Ce、V和Ti之间的氧化还原能力和相互作用，这有利于NH₃-SCR反应。

四、【数据概览】

图1 Ce-V-Ti催化剂的NO_x转化率（a）和N₂选择性（b）Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图2 CeVTi₅和CeVO₄催化剂在250 ℃ GHSV为200000 h⁻¹时的H₂O和SO₂耐久性测试（a）和CeVTi₅在GHSV为50000 h⁻¹时的H₂O耐久性测试（b）Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图3 Ce-V-Ti催化剂的XRD谱图Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图4 Ce-V-Ti催化剂的拉曼光谱（λ_ex= 532 nm）Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图5Ce-V-Ti催化剂H₂-TPR结果Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图6 Ce–V–Ti催化剂的Ce 3d（a）、V 2p（b）、Ti 2p（c）和O1s（d）的XPS结果Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图7 Ce–V–Ti催化剂的NH₃-TPD结果Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图8 175°C下CeVO₄和CeVTi₅催化剂上NH₃吸附（a）和NO + O₂吸附（b）的DRIFT光谱Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

图9在175 ℃下，NO + O₂与预先吸附在CeVO₄（a）和CeVTi₅（b）上的NH₃反应，NH₃与预先吸附的NO + O₂在CeVTi₄（c）上反应，NH₃-SCR在CeVTi₅（d）上反应的原位DRIFT光谱Copyright © The Royal Society of Chemistry 2022.

五、【成果启示】

综上所述，该研究制备了TiO₂改性CeVO₄催化剂，成功促进了NH₃-SCR反应活性。制备的CeVTi₅催化剂在高GHSV下表现出优异的低温催化活性和N₂选择性，并具有较强的SO₂和H₂O抗性。TiO₂改性所带来的催化性能的提高主要是由于晶粒尺寸减小，比表面积增大，活性Ce和V分散，氧化还原性能和酸性增强。根据原位DRIFTS结果，在CeVTi₅催化剂上NH₃-SCR反应同时遵循L-H和E-R机制，而在CeVO₄催化剂上只观察到E-R机制。

原文详情：TiO₂-modified CeVO₄catalyst for the selective catalytic reduction of NO_xwith NH₃†，2022，https://doi.org/10.1039/d2cy00848c）

本文由LWB供稿。