硫掺杂铈基催化剂的制备及其脱硝性能的研究

【摘要】：氮氧化物(NO_x)是大气污染的主要污染源之一。铈基催化剂在选择性催化还原NO_x展现了良好的性能。然而在水汽和SO_2存在的情况下其脱硝活性严重地受到了抑制。本文采用沉淀法制备PS-NCLS、Cu-Ce(S)等铈基催化剂。分别通过SO_2预处理和加入硫酸盐前驱体两种方法对催化剂进行硫元素掺杂改性以提高其抗水抗硫性能。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温脱附(TPD)、傅里叶变换红外(FTIR)、原位漫反射红外(in situ DRIFTS)、热重(TG)等分析测试方法对催化剂的结构和形貌、反应机理和改性的作用等进行了研究。在固定床反应器测试了催化剂的脱硝活性及抗水抗硫性能。对于PS-NCLS催化剂,La~(3+)掺杂进CeO_2萤石晶格中导致了晶胞的膨胀,产生了更多的晶格缺陷并提升了晶格氧的流动性。Ni~(2+)在催化剂表面富集,形成了新的Lewis酸性位。硫酸化处理增加了催化剂中Ce~(3+)和化学吸附氧的比例,并提升了晶格氧的流动性。通过硫酸化处理,催化剂保留了多数Lewis酸性位并生成了新的Bronsted酸性位。提出了缩核模型来解释催化剂的硫酸化过程。此外,原位漫反射红外实验证实了硫酸化处理后催化剂上NH_3-SCR反应主要遵循L-H机理。硫酸化处理后的PS-NCLS催化剂在水汽和SO_2共存条件下保留了良好的NO吸附性,并增加了 NH_3的吸附性。这些结果阐述了Ni和La的引入以及硫酸化处理对催化剂的脱硝活性和抗水抗硫性能的提升具有重要的作用。对于Cu-Ce(S)催化剂,随着Cu掺杂量的增加,Cu-Ce固溶体中掺杂的Cu~(2+)趋于饱和,CuO相开始出现并分散在催化剂表面。较低的Cu掺杂量具有较高的Ce~(3+)比例,导致了催化剂较强的Lewis酸性。化学吸附氧的比例随着Cu掺杂量的增加而增加。Cu-Ce(S)催化剂中的SO_4~(2-)增强了催化剂的Bronsted酸性。在水汽和SO_2共存情况下,催化剂表面出现了亚硫酸铵盐和硫酸铵盐的沉积,而掺杂的Cu抑制了铵盐的沉积现象。3%Cu-Ce(S)催化剂比CeO_2催化剂具有更宽的温度窗口、更好的的中低温脱硝活性和抗水抗硫性能。