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《哈尔滨工程大学》 2014年
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V~(4+)/V~(5+)比值调变影响因素及其V~(4+)和V~(5+)转化的氧化还原速率与SCR脱硝活性

段瑞瑞  
【摘要】:燃料燃烧过程和各种车辆尾气中排出的氮氧化物(NOx)是主要的大气污染源之一,空气中大量的NOx已经开始引发一系列的环境问题,对人类的健康造成了严重的危害。选择性催化还原(SCR)是最有前景的脱硝技术,而催化剂是SCR脱硝过程的核心。近年来,很多研究已经提到钒基催化剂表面V~(4+)/V~(5+)比值与脱硝活性有一定的关系,本论文通过浸渍法制备出V/TiO_2催化剂并在此基础上添加Mn、Ce、W的复合催化剂和陈化钒前驱体溶液V(13wt%)/TiO_2催化剂,研究其表面调变V~(4+)/V~(5+)的比值的影响因素及其与活性的关系,实验结果得出比例为Mn:V=1.48、Ce:V=0.75、W:V=2和陈化时间10h是最优化条件。同样用浸渍法制备出V-W催化剂,考察V~(4+)/V~(5+)的比值在活性物质钒的催化循环过程中的作用和过渡金属元素W对V的调变机理。通过这些研究从而制备出高比值V~(4+)/V~(5+)的催化剂来提高SCR低温脱硝活性及其拓宽活性温度窗口。对各个系列催化剂的表面元素XPS分析得出,过渡金属元素Mn、W的添加和钒前驱体溶液的陈化能够有效的调变催化剂表面的V~(4+)/V~(5+)比值,且都呈现出先增大后减小的趋势,而Ce的加入导致V~(4+)/V~(5+)比值逐渐减小。从V~(4+)/V~(5+)比值数据来看添加过渡金属元素Mn、Ce、W更有利于V/TiO_2催化剂表面钒的调变,尤其Ce的调变效果比较明显。结合SCR脱硝活性表征手段可以看出,对于每个系列的催化剂表面V~(4+)/V~(5+)比值最大,其脱硝活性最好。说明同一系列的催化剂,在催化剂表面活性物质钒的原子百分比基本一致、酸性位的量几乎相近的情况下,表面V~(4+)/V~(5+)比值的大小是影响催化剂脱硝活性的一个重要因素。通过XPS测试手段表征了 V/TiO_2催化剂和不同陈化时间的V(13wt%)/TiO_2系列催化剂,主要对其V2p和O1s进行了分峰拟合,研究发现催化剂表面钒有两种价态存在V~(4+)和V~(5+),氧有两种不同的物种存在化学吸附氧Oα和晶格氧Oβ,化学吸附氧的活性较高对催化活性的提高有很大的影响,并且V~(4+)/V~(5+)比值变化与Oα/Oβ有一样的变化趋势都是先增大后减小,说明催化剂表面V~(4+)的量的增多也能够引起化学吸附氧Oα的增多。通过XRD、BET、NH3-TPD和H2-TPR对以上各个催化剂进行了表征,实验结果显示对于同一系列的催化剂V~(4+)/V~(5+)比值高的其性能也会有所提高。通过XPS、H2-TPR、O_2-TPO测试手段对V-W催化剂表面V~(4+)/V~(5+)比值对脱硝活性的作用机理进行了研究,结果表明E-R催化循环机理过程中,V~(5+)=O→V~(4+)-O-H的还原速率比V~(4+)-O-H→V~(5+)=O氧化速率快,因而在催化过程中V~(4+)-O-H→V~(5+)=O氧化过程成为控速步骤,所以提高催化剂表面的V~(4+)/V~(5+)比值使其表面含有较多的V~(4+),从而增加了氧化速率,进而提高了 SCR脱硝活性。通过Raman表征手段对V-W (无载体)催化剂进行了表面结构的详细分析,主要是对过渡金属元素钨对钒的价态的调变机理进行了研究,研究表明随着钨含量的增加,催化剂表面存在较多的V-O-W键,而通过这些键钒和钨原子之间能够进行电子转移而引起对钒价态的调变。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X734.2;O643.36

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