氟、硫摻雜V2O5-TiO2脫硝催化劑的制備及性能研究.pdf

1、氮氧化物是主要的大氣污染物之一，氨選擇性催化還原(SCR)技術(shù)是控制固定源氮氧化物排放的一種有效措施。由于氮氧化物的污染問題日益嚴(yán)重，我國在“十二五”計(jì)劃中明確提出了氮氧化物排放總量的控制指標(biāo)。從我國國情出發(fā)，寬活性溫度窗口的脫硝催化劑的開發(fā)是我國自主脫硝技術(shù)的研究方向。
　　本文在V2O5/TiO2催化劑基礎(chǔ)上進(jìn)行非金屬改性載體的研究，以拓寬其活性溫度窗口，并獲得更好的脫硝性能，使其適用于不同的煙氣狀況。采用X射線衍射譜(XRD

2、)、激光拉曼光譜(Raman)、X射線光電子能譜(XPS)、H2-程序升溫還原(H2-TPR)、NH3-程序升溫脫附(NH3-TPD)、電子順磁共振譜(EPR)和原位紅外光譜(DRIFTS)等多種表征手段系統(tǒng)地分析了改性后催化劑的組成、結(jié)構(gòu)及與活性之間的關(guān)系，深入研究了摻雜的非金屬元素對V2O5/TiO2催化劑的改性機(jī)理。
　　采用溶膠-凝膠法對TiO2載體進(jìn)行了氟摻雜改性實(shí)驗(yàn)，通過浸漬法將活性組分V2O5負(fù)載于載體上，得到V2O

3、5/F-TiO2催化劑。研究表明，氟摻雜能夠提高活性組分的分散性，并增加表面活性氧物種的濃度，促進(jìn)NH3的吸附和活化。活性測試結(jié)果表明氟摻雜能有效地提升催化劑在513K之前的脫硝活性。理論模擬結(jié)果證實(shí)氟摻雜可以降低TiO2表面氧缺陷的形成能，即O原子與表面結(jié)合強(qiáng)度越弱，催化劑表面越易形成氧缺陷，缺陷的形成可以提高V2O5的氧化還原能力。
　　分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)氟摻雜可引入額外的、與光照無關(guān)的固定的帶電氧空位，氧氣易吸附于空位上形成超

4、氧自由基。本文著重利用EPR這一簡便、靈敏的手段考察了催化劑表面超氧自由基的穩(wěn)定性，并深入探討了其在SCR反應(yīng)的初期階段，反應(yīng)物吸附過程以及反應(yīng)過程中的促進(jìn)作用及其特性的變化，輔以XPS譜進(jìn)行鑒定，分析了超氧自由基與催化性能之間的關(guān)聯(lián)。
　　針對氟摻雜促進(jìn)V2O5/TiO2催化劑上超氧自由基的生成，并加強(qiáng)了反應(yīng)氣在催化劑表面的吸附與活化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了硫摻雜對V2O5/TiO2催化劑SCR脫硝性能的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫是以陰陽

5、離子共摻雜的形式進(jìn)入TiO2晶格，主要以S6+和S2-的形式存在，摻雜催化劑中S與V、Ti之間發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致活性組分的分散性更好，催化劑表面的超氧自由基和還原性物種大幅度增加，顯著地提高了NOx的脫除效率，且其活性溫度窗口也進(jìn)一步向低溫區(qū)拓展。
　　基于以上研究結(jié)果，本文同時(shí)考察了F、S共摻雜對催化劑脫硝性能的影響。通過制備F和S共摻V2O5/TiO2催化劑，研究了共摻雜對催化劑脫硝性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)、S共摻雜可

6、以明顯降低V2O5/TiO2催化劑的起活溫度，而且催化活性優(yōu)于F或S單摻雜的效果，這主要?dú)w因于共摻雜的協(xié)同效應(yīng)能夠大幅度增加催化劑表面氧空位的濃度，促進(jìn)NH3在催化劑表面的吸附和活化，同時(shí)大量超氧自由基的存在也使得更多的NO氧化為NO2，這對SCR催化性能的提高是非常有利的，尤其是提高催化劑低于513 K的NOx脫除率。
　　本文通過系統(tǒng)的研究，開發(fā)了適用于較寬溫度區(qū)間工作的非金屬改性的V2O5/TiO2催化劑，該催化劑制備方法簡