铁氧化物和Cu-SSZ-13催化剂的制备及脱硝性能研究

来源 :济南大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:anbao01
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氮氧化物(NOx)是大气污染物之一,可引发雾霾、酸雨、光化学烟雾等环境问题。而NOx的主要来源于柴油车等移动源燃煤电厂、工业炉窑等固定源。氨选择性催化还原(NH3-SCR)是目前用于脱除NOx的最有效最成熟的技术。其中,NH3-SCR催化剂的研究和开发是该技术的关健。但目前商业上最常用的催化剂为V2O5-WO3(MoO3)/TiO2,因其低温催化活性较低,抗SO2性能差,而且钒的毒性也限制了其在工业上的广泛应用。而铁氧化物的中低温脱硝性能好且价格便宜,因而适于作为中低温工业炉窑的脱硝催化材料。此外,最新颁布的柴油车排放标准(国六)对NOx的控制提出了更加严苛的要求,而Cu-SSZ-13分子筛因其宽阔的温度窗口和良好的水热稳定性,而成为满足国六标准的NH3-SCR催化材料的不二选择。本论文首先通过沉淀法制备了Fe2O3和PC-Fe2O3两种铁氧化物催化剂并测试了其脱硝性能,通过X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、N2吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、H2程序升温还原(H2-TPR)和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)等表征手段研究了其物化性质。发现与Fe2O3相比,PC-Fe2O3拥有较高的比表面积,较强的氧化还原能力和较多的酸性位,这些均有利于PC-Fe2O3的NH3-SCR催化活性。此外,还对其进行了抗水抗硫性能测试,发现PC-Fe2O3具有良好的抗水抗硫性能。其次,采用溶胶法制备了SSZ-13分子筛,发现晶化方式对SSZ-13的制备有着显著的影响,相较静态水热,动态水热传热更均匀,易于制备形态均一、结晶度良好的SSZ-13。另外,只有合适的溶胶摩尔配比才能合成出结晶度良好的SSZ-13。除此以外,相比硅溶胶,二氧化硅为硅源制备的SSZ-13结晶度更好,应作为首选硅源。最后,将优选的SSZ-13分别与铜盐溶液进行离子交换制备了多种Si/Al的Cu-SSZ-13催化剂,发现不同Si/Al的Cu-SSZ-13,其NOx转化率不同,但都具有优异的N2选择性。XRD结果表明不同Si/Al的Cu-SSZ-13都具有良好的结晶度。H2-TPR结果表明不同Si/Al的Cu-SSZ-13均含有两种Cu活性物种(Cu2+-Z和[CuOH]+-Z),Cu2+-Z与[CuOH]+-Z的活化能不同,对催化活性的贡献能力不同,在不同Si/Al的Cu-SSZ-13中的分布不同,因而不同Si/Al的Cu-SSZ-13展现了不同的催化活性。最后,以Y型分子筛为母体,采用转晶法制备了具有多种Si/Al的SSZ-13分子筛,发现将投料Si/Al控制在一定的范围,可以得到纯相的SSZ-13,投料Si/Al较低时不能制备出SSZ-13,原因是此时体系碱度相对铝量来说过低,会抑制成核历程从而导致了较差的结晶性,受限于母体Y分子筛的Si/Al,SSZ-13的Si/Al最高为11.1。另外,将优选的母体SSZ-13与铜盐溶液进行离子交换制备了多种Si/Al的Cu-SSZ-13催化剂,发现不同Si/Al的Cu-SSZ-13的催化活性相似,NOx转化率在80%以上的温度窗口为175-600oC,且N2选择性在100-600oC均维持在100%。XRD和SEM结果表明,不同Si/Al的Cu-SSZ-13都具有良好的结晶度和较小的尺寸(200-400 nm)。H2-TPR结果表明,不同Si/Al的Cu-SSZ-13含有的Cu活性物种的类型一致,且含量相等,因而催化活性是相似的。
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