吴大旺(1965-), 男, 副教授. E-mail:wudawang123@126.com
以锰氧化物为活性组分, CeO2-TiO2为载体制备了Mn/CeO2-TiO2催化剂. 考察了Fe的加入对Mn/CeO2-TiO2的低温NH3-SCR活性的影响. 并采用BET比表面积, H2程序升温还原(H2-TPR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂进行了表征. 活性结果表明, Fe的引入显著改善了Mn/CeO2-TiO2的NH3-SCR活性, 催化剂在113’250℃之间表现出良好的NO去除效率. 表征结果表明, Fe的引入促进了锰物种在CeO2-TiO2表面的分散, 降低了Mn-Fe/CeO2-TiO2中锰物种的还原温度. XPS分析指出Mn-Fe/CeO2-TiO2表面Mn以+4价存在, 而Fe主要以+3价的Fe2O3存在, 且Fe与载体表面间存在强相互作用.
The Mn/CeO2-TiO2 catalyst was prepared using manganese oxide as active component, CeO2-TiO2 as support. Effect of the addition of Fe on the performance of NH3-SCR over Mn/CeO2-TiO2 at low temperature was investigated. These catalysts were characterized by BET surface area, H2 temperature programmed reduction (H2-TPR) and X-ray photoelectron spectroscope (XPS). The activity result shows that the SCR performance of Mn/CeO2-TiO2 is obviously enhanced by the introduction of Fe. The Mn-Fe/CeO2-TiO2 catalyst shows high NO conversion within a wide temperature range of 113-250℃. The characterization results show that the introduction of Fe promotes the dispersion of manganese species on the surface of CeO2-TiO2, and the reduction temperature of manganese species shifts to lower temperature. The XPS analysis indicates that the valence of surface Mn on Mn-Fe/CeO2-TiO2 is +4, while the Fe mainly exists as +3 of Fe2O3, and the strong interaction happens between the Fe and the support.
氮氧化物主要来源于火力发电厂和机动车尾气, 它给自然环境造成了严重的破环, 局部城市的氮氧化物含量超标, 已经严重威胁了人类健康. 为此国家出台了新的法规以严格限制氮氧化物的排放, 火电厂脱硝已成为十二五期间重要任务. NH3或尿素选择性催化还原技术(NH3-SCR)是目前最为理想的消除氮氧化物的方法. 传统的钒基催化剂(V2O5/WO3/TiO2)活性温度窗口窄(300~400℃)[ 1], 只能安装在电厂锅炉除尘和脱硫工序之前来满足催化剂的活性窗口, 而此时烟道气中大量的飞灰(K2O、As2O3、CaO)和SO2, 易导致催化剂失活, 降低催化剂的使用寿命, 增加运行成本[ 2]. 此外, 钒基催化剂毒性大, 废旧催化剂的回收面临较大的困难, 易带来二次污染. 因此, 当前急需研究开发新型无毒高活性低温SCR催化剂取代钒基催化剂, 该催化剂可置于脱硫和除尘工序之后, 并在200℃以下的低温下保持较高的SCR活性.
近年来, 在低温NH3-SCR催化剂的研究中, 锰基催化剂表现出高活性和高选择性[ 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. CeO2因其良好的储放氧性能和氧化还原性能, 在NH3-SCR反应的研究中表现较为活跃[ 4, 6]. TiO2因其良好的抗SO2性能也被广泛用于SCR催化剂载体[ 5, 7]. 但上述催化剂的低温活性仍然有待提高. 文献[ 9]报道了不同含量CeO2改性对Mn-Fe/TiO2催化剂的NH3-SCR性能的影响, 本工作进一步考察了Fe的引入对Mn/ CeO2-TiO2的低温NH3-SCR性能的影响.
采用共沉淀法制备CeO2-TiO2( n(Ce): n(Ti)=2:3)氧化物载体. 用等体积浸渍法将Mn(CH3COO)2·2H2O和Fe(NO3)3·9H2O的盐溶液分别浸渍于CeO2-TiO2氧化物载体上(MnO2和Fe2O3的负载量均为10wt%), 110℃干燥4 h, 500℃焙烧3 h, 分别制备了Mn/CeO2- TiO2、Fe/CeO2-TiO2和Mn-Fe/ CeO2-TiO2三种催化剂粉末, 表示为Mn-CT、Fe-CT和Mn-Fe-CT. 以上制得的各催化剂均经过压片、过筛, 制成250~ 420 µm的颗粒用于活性测试.
样品的织构性能采用低温N2吸附法在QUADRASORB SI型自动吸附仪(Quantachrome Corporation)上测定. 样品先在350℃抽真空活化预处理1 h, 以N2为吸附质, 在-196℃进行测量.
样品的H2程序升温还原(H2-TPR)在自组装的H2-TPR(程序升温还原)装置上进行, 样品用量为100 mg, 样品在30 mL/min N2中在400℃活化预处理60 min, 降至室温后, 切换成5%H2/N2混合气 (20 mL/min), 待色谱基线走平后, 以8 ℃/min的速率升温至800℃, TCD检测.
样品的XPS分析在XSAM 800 型电子能谱仪上进行, 以Al K α作为激发源, X射线高电压和电流分别为13 kV和20 mA. 电子结合能数值用C1s(284.8 eV)校准.
催化剂活性评价在连续流动固定床石英反应器中进行. 模拟气的组成为: 0.1%NO, 0.12%NH3, 5%O2, Ar为平衡气. 空速为41000/h, 催化剂用量1 g.反应前后气体用Model-42i化学发光分析仪(Thermo Electron Corporation)进行在线分析. 为避免未反应的NH3的氧化对NO x测试结果造成影响, 反应后的气体进入分析仪之前通过装有浓磷酸的氨阱. 反应活性结果的测试均在反应稳定0.5 h后进行.
图1为Mn-CT、Fe-CT和Mn-Fe-CT三种催化剂41000/h空速下的NH3-SCR活性. 由图1可见, Fe-CT的活性最低, 其最高NO转化率仅为80.3%, 起燃温度(NO转化率为50%)为154℃, 可见其脱氮效率较低. Mn-CT的SCR活性明显优于Fe-CT, 其起燃温度为115℃, 最高转化率几乎达到100%, 催化剂表现出较好的低温NO还原活性, 展现出锰基催化剂的低温高SCR活性的特点, 但该催化剂的高SCR活性窗口较窄. 添加Fe后的Mn-Fe-CT的SCR活性最佳, 催化剂的起燃温度仅为75℃, 在113~250℃之间催化剂表现出极好的脱除NO的效率. 催化剂的低温活性得到明显的改善, 表明Fe的引入对Mn-CT的SCR活性具有明显的促进作用.
图2为三种催化剂的XRD图谱, 由图可以看出, 三种催化剂均以无定形或微晶的形式存在, 表明催化剂中锰物种或铁物种在CeO2-TiO2表面均以微晶或无定形态存在, 也可能在CeO2-TiO2表面分散较为均匀, 未烧结聚集长成大晶粒. 而一般认为无定型态的MnO x物种具有较高的SCR 反应活性,规则晶态的MnO x物种的SCR活性较差[ 10, 11]. 因此三种催化剂较低的结晶度或无定型结构对SCR 反应十分有利. 仅从XRD结果看, Fe的引入并未明显改变Mn-CT的物相结构, 因此三种催化剂的活性差异与其晶相结构关系不大.
三种催化剂高斯拟合的H2-TPR结果列于图3. 各催化剂的还原峰面积及各拟合峰的还原峰温列于表 1. 由图3和表1可见, Mn-CT在200~800℃之间出现三个H2消耗峰, 其在445℃附近出现了一个H2消耗主峰, 另外两种催化剂还在331和487℃附近分别出现了一个稍小的H2消耗峰. 其中331℃附近较小的H2消耗峰可归属为MnO2→Mn2O3的还原[ 12]. 而445℃附近的还原主峰可归属为Mn2O3→Mn3O4的还原[ 12, 13]. 而487℃附近的还原峰为Mn3O4→MnO和CeO2→Ce2O3的还原相互叠加的结果[ 12, 13, 14]. 结合表1可知, Mn-CT的三个H2消耗峰中T-2的峰面积最大. 由此可见, Mn-CT中锰物种主要以Mn2O3物种存在. Fe-CT在100~800℃之间也出现三个拟合的H2消耗峰. 其中450℃附近的H2消耗峰可归属为Fe2O3→Fe3O4的还原[ 15, 16, 17]; 609℃附近的还原峰可归属为Fe3O4→FeO和CeO2→Ce2O3[ 16, 17, 18, 19]还原的综合结果; 而641℃附近的H2消耗峰可归属为FeO→Fe的还原[ 15, 16, 17]. 显然CeO2→Ce2O3的还原峰温相比于Mn-CT向高温方向发生了位移, 这可能是由于催化剂中Fe和Ce之间存在较强的相互作用, 从而使Ce的还原难度增大.
![]() | 表1 不同催化剂的TPR结果 Table 1 TPR results of different catalysts |
引入Fe后的Mn-Fe-CT催化剂的还原物种呈现多种类的分布, 除在418℃附近出现一个明显的H2消耗主峰外, 还分别在308℃、476℃、508℃和641℃附近出现一个拟合的H2消耗峰, 其中, 308℃附近的还原峰可归属于MnO2→Mn2O3的还原[ 12, 13], 418℃附近的还原峰可归属为Fe2O3→Fe3O4和Mn2O3→Mn3O4还原的综合结果[ 12, 13, 14, 15, 16]; 476℃附近的还原峰则归属于CeO2→Ce2O3和Mn3O4→MnO的还原[ 12, 13, 14]; 508℃附近的还原峰可归属为Fe3O4→FeO的还原, 623℃附近的H2消耗峰则可归属为FeO→Fe的还 原[ 15, 16, 17]. 418℃附近H2消耗峰的峰面积明显大于其
它峰温的峰面积, 可见Mn-Fe-CT锰物种仍然主要以Mn2O3物种存在. 表明Fe的添加未改变Mn-CT中锰物种的状态. 由图3还可以看出, Mn-Fe-CT中各锰物种的还原峰温相比于Mn-CT明显的向低温方向移动. 由此可见, Fe的引入可能促进了锰物种在催化剂表面的分散, 而高分散的锰物种更容易被还原.同样, 锰的存在也促进了Fe在催化剂表面的分散.这是由于Mn和Fe的同时存在在催化剂中起到了相互隔离的作用. 而这种Mn和Fe相互促进彼此在催化剂表面的分散显然能提供更多的活性中心, 这必然会促进SCR反应的进行. 同时Mn和Fe之间可能存在某种协同作用, 使表面物种的还原峰温均向低温方向移动, 且还原物种呈现多种类非均一化
的分布, 催化剂表面的不饱和度增加, 有利于催化反应的进行.
以上结果表明, Fe-CT中Fe与载体中Ce之间的相互作用较强, 造成了CeO2→Ce2O3的还原峰温较高, 而Mn-Fe-CT中CeO2→Ce2O3的还原峰温相比于Mn-CT更低, 表明Mn的存在弱化了这种Fe与Ce之间强相互作用. 而这有利于Ce4+→Ce3+氧化还原电对的循环进行, 进而提供更多的活性氧, 促进NO更多地氧化成NO2, 进而促进SCR反应的进 行[ 4, 6], 并提高NO的去除效率.此外,由图2可见, Fe-CT总的H2还原峰面积明显大于Mn-CT和Mn-Fe-CT, 表明Mn-Fe-CT的可还原物种的量最多, 其氧化能力最强, 有利于SCR反应.
为了进一步了解三种催化剂的表面状态和元素的价态, 分别对其进行XPS测试. 三种催化剂表面活性组分元素的电子结合能和XPS图谱分别列于表2及图4.
![]() | 表2 不同催化剂的电子结合能 Table 2 Binding energy of different catalysts |
![]() | 图4 不同催化剂的Mn2p(a), Fe2p(b)和Ce3d(c)XPS图谱(a) Mn2p; (b) Fe2p; (c) Ce3dFig. 4 XPS spectra of two different catalysts |
图4(a)为Mn-CT和Fe-CT表面Mn2p的XPS图谱, 结合表2和MnO2的标准结合能(642~642.4 eV), 可见Mn-CT和Mn-Fe-CT的表面Mn主要以+4价的MnO2存在[ 18]. 相比于Mn-CT、Mn-Fe-CT的Mn2p3/2谱峰出现了轻微的宽化, 但未能拟合出新的谱峰, 表明催化剂有形成其它Mn的价态的趋势, 可见Fe的引入影响了Mn-Fe-CT表面Mn原子周围的电子环境, 稍改变了电子状态.
Fe-CT和Mn-Fe-CT表面Fe2p的XPS图谱列于图4(b), 其Fe2p3/2结合能分别为(711.6±0.1) eV和(711.5±0.1) eV, 且在716~718 eV之间出现了一个较为明显的辅峰. 对照Fe2O3的标准电子结合能(710.8~711.2 eV), 表明Fe主要以+3价的Fe2O3存 在[ 18], 但Fe2p3/2的谱峰明显呈非对称分布, 且谱峰较宽, 表明可能有Fe2+物种存在.此外与标准谱相比, Fe2p3/2的电子结合能向高结合能方向发生了明显的位移. 这是由于Fe原子与CeO2-TiO2载体或表面Mn原子间的相互作用较强, 导致催化剂表面Fe原子周围电子云分布发生了较大的变化.
Fe-CT、Mn-CT和Mn-Fe-CT表面Ce的XPS图谱列于图4(c). 由图可见, 其Ce3d的XPS图谱较为复杂, 图中u、u′、u′′和u′′′为Ce3d5/2峰, 而 v、 v′、 v′′和 v′′′表示Ce3d3/2的电子结合能谱峰. 其中u (882.3 eV附近)归属于Ce4+的特征峰[ 17, 18], u′(885.1 eV附近)则归属于Ce3+的特征峰[ 18, 19]. 由此可见, Fe-CT、Mn-CT和Mn-Fe-CT催化剂表面Ce均以+4和+3的混合价存在, 而混合价的存在易于进行Ce4+和Ce3+之间的氧化还原循环, 有利于活性氧的储存和释放, 促使了NO氧化成NO2反应的进行, 进而有利于NH3-SCR反应的进行[ 20]. 此外, 由表2还可以看出, 引入Fe后, Mn-CT表面Ce3d5/2的电子结合能稍向低结合能方向位移, 这可能是由于Fe的引入促进了Mn-Fe-CT表面Ce原子周围电子云密度增大, Ce原子周围表现出一定的富电性, 表明Mn-Fe-CT表面Ce原子与周围原子间存在较强的相互作用. 而这种催化剂表面电子云密度分布的变化可能导致Mn和Fe之间存在某种协同作用.
各样品的比表面积、孔容和催化剂表面Mn原子摩尔含量列于表3. 从表3中可以看出, 四种样品中CT的比表面积和孔容最大, 分别为116 m2/g和0.29 mL/g. 负载Mn或Fe后的催化剂的比表面积和孔容均显著降低, 这是由于活性组分负载在载体表面, 覆盖或堵塞了载体的部分孔道, 导致了比表面积和孔容的降低. 本实验中三种催化剂的比表面积和孔容的大小顺序为: Fe-CT>Mn-Fe-CT>Mn-CT.由此可见Fe与载体间有较强的相互作用, 这种强相互作用促进了Fe 在催化剂表面的分散, 因此Fe-CT 的比表面积和孔容最大. 同时Fe的加入也促进了Mn在Mn-CT催化剂表面的分散, 抑制了Mn对催化剂孔道覆盖或堵塞, 因而增大了其比表面积.
![]() | 表3 样品的比表面积、孔容及表面Mn原子摩尔含量 Table 3 Specific surface area, pore volume and of Mn content for different samples |
由表3还可以看出, Mn-CT表面Mn含量略大于Mn-Fe-CT, 这可能有三个原因: 一是添加Fe后, Mn-Fe-CT的比表面积相比于Mn-CT略有增大, 而XPS的准确检测深度仅为3 nm, Mn-CT中Mn原子在催化剂表面可能发生了少量的聚集或出现晶粒长大, 锰物种的分散性下降, 单位表面积内的Mn原子的数目增加. 而Mn-Fe-CT中Fe的引入促进了Mn物种在催化剂表面的分散, 并抑制了锰物种晶粒的长大, 因而单位表面积内Mn原子的数目增加; 二是由于Mn-Fe-CT中Fe的引入促进了催化剂表面少量Mn原子向催化剂体相迁移, 超出了XPS的检测深度, 导致催化剂表面Mn原子的摩尔含量降低; 三是由于Mn-Fe-CT的表面同时含有Mn和Fe, 而表面Fe原子的存在必然导致单位表面体积内Mn原子的摩尔含量降低.
尽管Mn-Fe-CT的表面Mn原子的含量低于Mn-CT, 但其SCR活性却明显高于Mn-CT,而Fe-CT的SCR活性较差. 表明Mn-Fe-CT的主要活性物种应为锰物种. 结合H2-TPR和XPS结果可知, Mn-Fe-CT中锰物种以MnO2、Mn2O3和Mn3O4三种状态存在, 且以Mn2O3物种为主, 与Mn-CT基本一致.可见MnO2、Mn2O3和Mn3O4应均为催化剂的活性物种, 但MnO2具有更好的NO还原活性.此外Mn-Fe-CT中锰物种的还原峰温明显比Mn-CT低, 表明Mn-Fe-CT的高SCR活性并非锰物种种类变化所致, 而主要是由于Fe的引入促进了催化剂表面锰物种的分散性所致, 与比表面积分析结果一致.
1) Fe/CeO2-TiO2的SCR活性不佳, 但Fe的引入能明显改善Mn/CeO2-TiO2的NH3-SCR活性, 尤其是低温NO还原活性. Mn-Fe/CeO2-TiO2在113~250℃之间表现出了良好的NO去除效率, 催化剂的低温活性得到显著改善.
2) Fe的添加促进了Mn在CeO2-TiO2表面的分散, 导致了Mn-Fe/CeO2-TiO2催化剂表面活性位的增多. Fe的引入还增大了Mn/CeO2-TiO2的比表面积和孔容, 进而促进了反应物和产物分子在催化剂表面及孔道的扩散和吸附活化. 这促进了催化剂的NH3-SCR活性.
3) Mn-Fe/CeO2-TiO2中Fe的存在降低了催化剂中锰物种的H2还原温度, 而且增强了催化剂中活性组分与载体间相互作用, 有利于NH3-SCR反应的进行.
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