低碳院環(huán)保技術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煙霧的重要前驅物之一，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苛的NOx排放限值。氨氣選擇性催化還原(NH3-SCR)技術是滿足現(xiàn)行標準的技術途徑，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，當前我國60%以上的燃煤機組處于低負荷狀態(tài)，煙氣溫度經常低于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峰、實現(xiàn)全負荷脫硝具有重要意義。低溫脫硝技術在非電領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計的一大難題。同時，具有高比表面積、豐富孔道結構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域的應用。
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(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進行了計算，對催化劑表面的反應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結合多種NMR分析測試結果表明，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)同效應有效調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的引入不僅誘導活性組分錳氧化物的晶型轉變，而且誘導其晶粒大小及晶體生長位置。實驗結果表明，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脫硝活性結果. a NOx轉化率.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。
低溫脫硝技術是低碳院正在開展的多項能源環(huán)保關鍵技術之一。作為國家能源集團的直屬研發(fā)機構，低碳院明確將環(huán)境保護確立為六大聚焦領域之一，致力于開發(fā)創(chuàng)新能源環(huán)保技術，以盡可能減少煤基能源生產過程中產生的氣、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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