燃煤烟气中单质汞在二氧化铈表面的吸附及催化氧化机理研究

发布时间：2020-03-28 17:14

【摘要】：燃煤烟气中的单质汞对环境和人体有严重危害且难以通过现有污染物控制设备脱除,研究单质汞在催化剂表面的吸附及催化氧化机理对烟气中汞脱除具有重要的理论及现实意义。CeO2是一种性能优异的金属氧化物,在烟气汞脱除领域有着良好的应用潜力。然而,由于目前实验和表征手段的局限性,尚不能完全揭示CeO2对燃煤烟气中单质汞的吸附以及催化氧化机理。本文基于密度泛函理论的量子化学计算研究了 CeO2在燃煤烟气脱汞中的吸附及催化氧化作用,对单质汞在CeO2表面的吸附及催化氧化机理进行了探索。论文首先研究了 CeO2掺杂改性的碳基吸附剂对单质汞的吸附机理,建立了由多个苯环组成的碳基吸附剂的结构模型,并在边缘活性位上模拟了 CeO2的掺杂。计算结果显示,在经CeO2掺杂改性后的碳基吸附剂表面,Hg0、HCl、HgCl和HgCl2的吸附方式均为化学吸附,与吸附剂表面结合紧密。HCl、HgCl和HgCl2在吸附剂表面均可以发生解离吸附,HCl分子解离后Cl自由基未与表面成键,气相中的Hg、HgCl可能与Cl自由基相结合;HgCl、HgCl2在表面解离吸附的吸附能较大,表明CeO2掺杂改性后的碳基吸附剂对Hg0的氧化产物具有良好的吸附效果。论文进一步研究了 CeO2对于燃煤烟气中单质汞的催化氧化作用机理,考察了 CeO2催化剂表面Hg0的催化氧化反应历程。通过建立周期性CeO2(111)表面结构模型以及Hg0和HgO在CeO2(111)表面的稳定吸附构型和吸附能计算,给出了Hg0在CeO2(111)表面的氧化反应路径,得到了反应过程中涉及的中间体、过渡态的几何构型以及反应路径的速控步和能垒。结果表明,Hg0在CeO2(111)表面为物理吸附,而HgO则通过化学吸附与表面结合。由此提出了 Hg0在CeO2(111)表面氧化的三条反应路径,其中路径一由于能垒较低是氧化反应最可能发生的路径,氧化反应遵循Mars-Maessen机理,整个过程中的决速步为HgO分子的生成。通过对反应能垒进行对比分析表明CeO2表面具有较低的催化反应能垒,是一种高效的单质汞氧化催化剂,具有良好的应用前景。
【图文】：

解离吸附,表面,解离,氧缺陷

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态密度,碳基吸附剂,改性吸附剂,表面结合

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【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X773

【参考文献】