大氣污染物NOx的排放控制問題日益受到世界各國關(guān)注。氨氣選擇性催化還原(NH3-SCR)脫硝是最高效、成熟的脫硝技術(shù)。然而,傳統(tǒng)的釩鎢鈦催化劑活性溫度窗口較高(300~400℃),使得脫硝裝置置于除塵和脫硫裝置之前,進(jìn)而導(dǎo)致催化劑活性組分易因高空速粉塵沖刷而流失,硫酸銨鹽堵塞下游管線,且不適用于低溫?zé)煔猓ㄈ玟搹S燒結(jié)煙氣)脫硝。因此,開發(fā)高效的低溫(<200℃)NH3-SCR催化劑具有重要意義。相比于傳統(tǒng)NH3-SCR催化劑,低溫NH3-SCR催化劑較差的抗SO2中毒性能和N2選擇性限制了其工業(yè)應(yīng)用,且低溫NH3-SCR催化劑本征活性較低,難以適用高空速要求。鑒于此,團(tuán)隊(duì)從反應(yīng)機(jī)理出發(fā),深入研究了錳基催化劑低溫NH3-SCR反應(yīng)機(jī)理,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合成了具有優(yōu)異抗SO2中毒性能、N2選擇性以及高本征活性的錳基低溫NH3-SCR催化劑,為低溫NH3-SCR催化劑的設(shè)計(jì)合成以及低溫NH3-SCR技術(shù)的應(yīng)用提供了理論支撐。
題目為《MnOx/TiO2催化劑上NO2生成路徑及NO2在低溫下快速SCR脫硝反應(yīng)中的作用機(jī)理研究》(Study on the NO2production pathways and the role of NO2in fast selective catalytic reduction DeNOxat low-temperature over MnOx/TiO2catalyst)的研究論文發(fā)表在化工領(lǐng)域權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal上(Chemical Engineering Journal2020, 379, 122288)。研究人員發(fā)現(xiàn)低溫NH3-SCR反應(yīng)(NH3+NO+O2→N2+H2O)是NO氧化反應(yīng)(NO+O2→NO2)與“快速SCR”反應(yīng)(NH3+NO+NO2→N2+H2O)耦合的結(jié)果,NO氧化反應(yīng)是整個(gè)低溫NH3-SCR過程的控速反應(yīng)。結(jié)合原位紅外和密度泛函理論計(jì)算等手段,發(fā)現(xiàn)了一種新型二齒硝酸鹽中間產(chǎn)物(*MnO2NO2),并提出了完整的NO催化氧化路徑。該工作為后續(xù)高效低溫NH3-SCR催化劑的設(shè)計(jì)合成提供了重要思路及理論基礎(chǔ)。
題目為《Feoct?O?Mntet位點(diǎn)高度暴露的Fe摻雜Mn3O4尖晶石納米顆粒催化劑低溫下高效選擇性催化還原氮氧化物》(Fe-doped Mn3O4spinel nanoparticles with highly exposed Feoct?O?Mntetsites for efficient selective catalytic reduction (SCR) of NO with ammonia at low temperatures)的研究論文發(fā)表在催化領(lǐng)域權(quán)威期刊ACS Catalysis上(ACS Catalysis, 2020, 10, 6803–6809)?;谇拔膶Φ蜏豊H3-SCR反應(yīng)機(jī)理的研究,NO氧化反應(yīng)是低溫NH3-SCR過程的關(guān)鍵,而氧缺位在金屬氧化物表面氧化反應(yīng)中起到關(guān)鍵作用。鑒于此,本工作旨在采用變價(jià)金屬Fe對Mn3O4尖晶石結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)、均勻摻雜,進(jìn)而調(diào)控材料Mn-O鍵強(qiáng)度及缺位生成能。傳統(tǒng)制備方法(如:浸漬法、共沉淀法)無法實(shí)現(xiàn)Fe–Mn復(fù)合氧化物材料的精準(zhǔn)控制合成,難以對催化點(diǎn)位和催化活性進(jìn)行構(gòu)效關(guān)聯(lián),進(jìn)而導(dǎo)致對本征活性位點(diǎn)認(rèn)識不足。本工作以Fe–Mn雙金屬有機(jī)框架化合物為前驅(qū)物,精準(zhǔn)合成了系列Fe/Mn摩爾比可調(diào)的、小尺寸的、組分和形貌均一的Fe–Mn尖晶石催化劑(FexMn3-xO4NPs)。Fe0.35Mn2.65O4NPs催化劑能在180℃、400000 h-1下達(dá)到90% NO脫除率。基于對材料的精準(zhǔn)控制合成以及同步輻射X射線吸收光譜對材料的結(jié)構(gòu)精細(xì)解析,建立了Fe–Mn尖晶石材料表面活性位點(diǎn)與NH3-SCR活性之間的構(gòu)效關(guān)系,揭示了具有高本征活性的Feoct–O–Mntet活性位點(diǎn)。同時(shí),結(jié)合理論研究發(fā)現(xiàn)催化劑表面氧缺位的生成是NO氧化反應(yīng)的控速基元反應(yīng)。Feoct–O–Mntet位點(diǎn)具有最低的氧缺位生成能,這是其高本征活性的根本原因。該工作對低溫NH3-SCR活性點(diǎn)位有了新的認(rèn)識,并對高效低溫NH3-SCR催化劑的設(shè)計(jì)合成具有重要指導(dǎo)意義。
題目為《設(shè)計(jì)合成自組裝多孔Mn3O4@石墨碳納米蒲公英催化劑:一種具有顯著抗SO2中毒性能的低溫NH3-SCR催化劑》(Design of assembled composite of Mn3O4@Graphitic carbon porous nanodandelions: A catalyst for Low–temperature selective catalytic reduction of NOxwith remarkable SO2resistance)的研究論文發(fā)表在催化領(lǐng)域權(quán)威期刊Applied Catalysis B: Environmental上(Applied Catalysis B: Environmental, 2020, 269, 118731)。抗SO2中毒性能是抑制錳基催化劑工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。在對錳基催化反應(yīng)機(jī)理充分認(rèn)識的基礎(chǔ)下,該工作以錳基金屬有機(jī)框架化合物為前驅(qū)物,通過“限域-熱解-氧化”策略,設(shè)計(jì)合成了新型石墨碳改性的Mn3O4納米顆粒催化劑。該催化劑表現(xiàn)出較高的脫硝活性(在160℃、100 000 h-1下能達(dá)到90%以上NO轉(zhuǎn)化率)及顯著提高的抗SO2中毒性能。結(jié)合同步輻射X射線吸收光譜及理論計(jì)算,揭示了石墨碳在提高催化劑抗SO2中毒性能中的積極作用:電子可以由石墨碳向Mn3O4納米顆粒轉(zhuǎn)移,進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)Mn3O4的電荷性質(zhì)及氧化性,Mn3O4納米顆粒適宜的氧化性能夠避免SO2氧化為SO3,進(jìn)而抑制NH4HSO4生成、提高催化劑抗SO2中毒性能。該工作為設(shè)計(jì)合成具有高效抗SO2中毒性能的低溫NH3-SCR催化劑提供了新的思路。
綠色能源化工團(tuán)隊(duì)長期致力于能源資源高效催化轉(zhuǎn)化過程研究,在化石能源催化加氫轉(zhuǎn)化、新能源氫能制取和利用、環(huán)境催化轉(zhuǎn)化(脫硝、脫氯、VOCs)、生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域取得了一系列基礎(chǔ)與應(yīng)用研究成果。近5年團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國石油重大專項(xiàng)、中國海油科技專項(xiàng)、泰山學(xué)者人才項(xiàng)目等各類課題30余項(xiàng),授權(quán)國家發(fā)明專利40余項(xiàng),發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文100余篇。獲中國石油科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、山東省研究生科技創(chuàng)新成果獎(jiǎng)。培養(yǎng)的研究生獲得中國青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng)、山東省優(yōu)秀博士學(xué)位論文、中國石油大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文、中國石油大學(xué)“學(xué)術(shù)十杰”以及研究生國家獎(jiǎng)學(xué)金等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號。
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1.https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122288
2.https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01284
3.https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118731
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