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富氧条件下选择还原NO是环保领域的一个重要课题。在本文中,主要研究了过渡金属氧化物催化剂上烃类选择催化还原NO的反应。本文主要包括三个部分的主要内容:第一部分研究了制备方法及反应条件对Ni-Al2O3催化性能以及催化剂物相结构和活性中心的影响。第二部分研究了共沉淀法制备的Co-Al2O3催化剂以及添加改性金属对催化剂表面活性物种和催化性能的影响。第三部分研究了硫酸化处理前后催化剂的物相结构和催化活性物种在催化剂表面分散情况以及对催化性能的影响。各部分主要内容分述如下:
1.系统研究了Ni-Al2O3催化剂的制备条件和制备方法对催化性能的影响。研究发现,由共沉淀法制备的550℃焙烧的4wt%Ni-Al2O3催化剂具有最好的催化性能。通过表征结果可知存在于γ-Al2O3表面尖晶石结构中的Ni2+是NO催化还原活性中心,而NiO是丙烷氧化活性中心。大量NiO的存在会促进丙烷完全燃烧,降低丙烷的选择性,导致降低催化活性。共沉淀法制备的Ni-Al2O3催化剂发现具有较好的热稳定性、抗SO2中毒性、抗水中毒性和耐氧能力。
2.研究了Co-Al2O3催化剂的制备条件对催化性能的影响,选择了最佳的焙烧温度和钴负载量。钴含量为8wt%的样品具有最高的催化活性。钴含量进一步增加,出现的Co3O4会促进丙烷燃烧这一不利的竞争反应,降低丙烷选择催化还原NO的活性。催化剂的最佳焙烧温度为800℃,当焙烧温度低于800℃时,催化剂中会出现Co3O4,进而降低催化剂的活性,当焙烧温度高于800℃时,由于催化剂烧结导致比表面积减小,影响活性中心的分散,所以催化剂选择还原NO的能力降低。探讨了不同金属的添加对Co-Al2O3催化剂物相结构和钴物种存在形态以及活性的影响。在8CoA800催化剂中添加不同金属助剂Fe、Ni、Cu、Zn和Ag。Zn的加入会促进钴物种的分散和抑制烃类的燃烧反应的发生,进而提高烃类选择还原NO的活性。而且研究表明SO2的加入可以提高催化剂高温活性。通过原位红外光谱,我们对活性最好的Co-Zn-Al2O3和活性最差的Co-Fe-Al2O3催化剂上丙烯还原NO的反应机理进行了初步探讨。研究发现,不同催化剂表面的吸附物种以及反应中间体不同,导致催化还原NO的性能不同。
3.研究了硫酸化处理对Ni-ZrO2和Co-ZrO2催化剂的催化性能影响。研究发现,与未经过硫酸化处理的催化剂Ni-ZrO2和Co-ZrO2相比,经过硫酸化处理的催化剂活性明显提高。通过各种表征深入探讨了硫酸化处理对催化剂结构及镍物种和钴物种存在形态的影响。实验发现,硫酸化处理催化剂有利于进一步分散镍物种和钴物种,形成更多的催化活性中心。同时,硫酸化处理阻止了体相NiO和Co3O4的形成,抑制了丙烷的燃烧反应。另一方面,硫酸化处理增强了催化剂的强酸性位,这些强酸位对于部分氧化丙烷形成丙烷选择催化还原NO中间物种有重要的作用。