低碳院環(huán)保技術(shù)中心團隊最近在低溫脫硝催化劑開發(fā)與機理研究方面取得重要進展，最新研究結(jié)果于5月27日發(fā)表于Nature子刊《Communications Chemistry》上。
氮氧化物(NOx)是主要的大氣污染物之一，包括 NO、 NO2 和 N2O 等。氮氧化物是形成酸雨的重要因子，是生成臭氧和光化學(xué)煙霧的重要前驅(qū)物之一，也是形成區(qū)域PM2.5污染和灰霾的重要原因。作為NOx的主要排放源之一，我國燃煤電廠目前采用了全球嚴(yán)苛的NOx排放限值。氨氣選擇性催化還原(NH3-SCR)技術(shù)是滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)途徑，目前普遍使用V2O5/WO3-TiO2脫硝催化劑，其合適的運行溫度為300-420℃。
然而，當(dāng)前我國60%以上的燃煤機組處于低負荷狀態(tài)，煙氣溫度經(jīng)常低于300℃，此時V-W-Ti催化劑脫硝活性較差。因此，開發(fā)在低溫下(<300℃)具有高活性的脫硝催化劑，對于支撐燃煤電廠配合新能源深度調(diào)峰、實現(xiàn)全負荷脫硝具有重要意義。低溫脫硝技術(shù)在非電領(lǐng)域的煙氣凈化中也有巨大需求。
錳的氧化物是一類常用的低溫脫硝催化劑活性組分。一般認(rèn)為，MnO2具有較高的低溫脫硝活性，而Mn2O3具有較好的N2選擇性。如何同時兼顧脫硝活性和選擇性成為錳基脫硝催化劑分子設(shè)計的一大難題。同時，具有高比表面積、豐富孔道結(jié)構(gòu)的純硅介孔分子篩載體卻由于酸性低而限制了其在脫硝催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
低碳院脫硝團隊的研發(fā)人員針對上述問題，聯(lián)合澳大利亞格里菲斯大學(xué)(Griffith University)清潔環(huán)境與能源中心的研究人員，基于密度泛函理論(DFT)和原位紅外表征，通過分子模擬軟件VASP對催化劑活性組分的熱力學(xué)進行了計算，對催化劑表面的反應(yīng)物吸附過程進行了研究，首次發(fā)現(xiàn)分子篩的酸性對活性組分氧化還原性能的誘導(dǎo)作用，并揭示了活性位和酸性位“雙活性中心”協(xié)同參與的低溫反應(yīng)機理。
圖1.Fe-Mn/Al-SBA-15分子篩脫硝催化劑合成示意圖
在該反應(yīng)機理的指引下，研究人員利用煤基固廢粉煤灰中的Si和Al元素可控合成了不同骨架Si/Al比的Al-SBA-15介孔分子篩，通過Py-IR結(jié)合多種NMR分析測試結(jié)果表明，Al的摻雜顯著提高了分子篩的酸性；并通過L酸和B酸的協(xié)同效應(yīng)有效調(diào)控了活性組分錳氧化物的晶體生長，得到了適宜的MnO2和Mn2O3含量比例。
圖2. Fe-Mn/Al-SBA-15催化劑的HAADF-STEM圖
通過XRD、XPS、NH3-TPD、HAADF-STEM等分析測試表征方法發(fā)現(xiàn)，Al的引入不僅誘導(dǎo)活性組分錳氧化物的晶型轉(zhuǎn)變，而且誘導(dǎo)其晶粒大小及晶體生長位置。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)e-Mn/Al-SBA-15催化劑中錳的賦存狀態(tài)更有利于NH3-SCR反應(yīng)的進行。
圖3. Fe-Mn/SBA-15催化劑和Fe-Mn/Al-SBA-15催化劑的NH3-SCR脫硝活性結(jié)果. a NOx轉(zhuǎn)化率.b N2選擇性
通過對催化劑的通過對催化劑的NH3-SCR脫硝活性進行測試，發(fā)現(xiàn)低碳院制備的脫硝催化劑在低溫(150-300℃)下同時具有較高的NOx轉(zhuǎn)化率(≥90%)和良好的選擇性(≥86%)，可望滿足電力機組在低負荷下達到超低排放水平的要求。
低溫脫硝技術(shù)是低碳院正在開展的多項能源環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)之一。作為國家能源集團的直屬研發(fā)機構(gòu)，低碳院明確將環(huán)境保護確立為六大聚焦領(lǐng)域之一，致力于開發(fā)創(chuàng)新能源環(huán)保技術(shù)，以盡可能減少煤基能源生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣、水、渣等對環(huán)境的影響。從煙氣脫硝到廢水零排放，從煤基固廢資源化到碳減排，低碳院始終將技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)放在首位，助力傳統(tǒng)能源的清潔化進程，攜手邁向更環(huán)保的未來。
原標(biāo)題：低碳院低溫脫硝催化劑開發(fā)與機理研究取得新突破
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