纳米Mn-Ce氧化物脱硝性能及协同催化机理研究

发布时间：2017-07-13 21:23

  本文关键词：纳米Mn-Ce氧化物脱硝性能及协同催化机理研究

  更多相关文章： 纳米结构 MnOx CeO_2 脱硝 SCR 协同作用

【摘要】：日益恶化的环境使大气污染防治问题越来越受到重视,日益严格的NOx排放标准给大气污染治理提出了更高的要求。目前应用最为广泛的V2O5-WO3/TiO2系SCR催化剂越发无法适应新的脱硝环境,无法满足新的脱硝性能需求。探索出新型烟气脱硝技术和烟气脱硝催化剂已迫在眉睫。本文通过两个方面制备出新型催化剂:1、利用纳米结构优势,从催化剂微观结构优化催化性能。2、利用最具脱硝潜力的Mn、Ce氧化物作为活性组分替代V,增强催化剂活性。首先,采用水热法制备纳米结构的CeO_2催化剂。通过反复实验校正,最终制备出纳米粒子和纳米棒状CeO_2催化剂。以商用CeO_2作为参比,研究了结构对催化剂性能的影响。结果表明,催化剂微观粒子越小,催化性能越强,但抗高温失活性能有所下降。对催化剂进行BET表征发现,纳米结构能够明显增大催化剂比表面积,但大部分为1-2nm的微孔结构,对催化性能没有明显的提升作用。利用XPS、NH_3-TPD和电镜表征各催化剂后发现,纳米棒状CeO_2表面具有最多的酸性位和表面吸附氧。电化学性能测试方面,纳米棒状CeO_2具有更多的活性分子,使得棒状催化剂能够在低温和中高温区表现出最好的催化性能。但也由于粒子较小,对温度的敏感性比较高,更加容易高温失活。其次研究了Mn负载对催化剂性能的影响。同样利用水热法,以KMnO4为原料,将Mn负载到了纳米结构CeO_2表面。电镜结果显示,Mn是以包裹的形式负载到CeO_2表面。Mn负载后催化剂微观离子变大,增大了催化剂的孔径和比表面积,一定程度上促进了催化性能的提升。CeO_2基体形貌几乎没有改变,MnOx在表层以片状结构存在,且呈现+2、+3和+4多种价态。Mn负载后催化剂表现出了良好的低温催化活性,同时降低了高温失活效应的起始温度。通过电化学分析知道Mn具有更强的氧化还原性能和循环性能,负载量比较大的纳米棒状催化剂,表现出了更好的催化剂活性。最后研究了催化剂中Mn、Ce之间的协同作用机理。实验对比了负载前后催化剂和纯MnOx的脱硝性能。结果显示,复合催化剂性能不仅高于纯纳米CeO_2,还表现出了比纯MnOx更高的催化活性,证明了催化剂不同成分间协同作用的存在。复合催化剂的热重分析结果同样证明了Mn、Ce之间存在明显的协同效应。根据Mn、Ce催化剂的催化机理,分析得出了复合催化剂脱硝协同作用机理:Mn氧化物充当活性物质,通过自身氧化还原的循环作用完成脱硝反应;Ce氧化物作为助催化剂,以强氧化性能促进MnOx的氧化,以高的储氧能力为催化反应补充吸附氧,自身被MnOx还原。还原得到的Ce2O3经过O2氧化为CeO_2,并进一步转化O2为吸附氧。
【关键词】：纳米结构 MnOx CeO_2 脱硝 SCR 协同作用
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701;O643.36
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-26
• 1.1 研究背景10-16
• 1.1.1 氮氧化物来源11-12
• 1.1.2 氮氧化物危害12-13
• 1.1.3 氮氧化物排放量现状与排放标准13-15
• 1.1.4 氮氧化物控制技术15-16
• 1.2 NH_3-SCR脱硝工艺简述16-18
• 1.3 SCR催化剂表面反应原理研究18-19
• 1.4 催化剂组分研究19-22
• 1.4.1 贵金属催化剂19-20
• 1.4.2 分子筛催化剂20
• 1.4.3 活性炭催化剂20-21
• 1.4.4 金属氧化物催化剂21-22
• 1.5 催化剂结构研究22-23
• 1.5.1 纳米级活性组分研究22
• 1.5.2 纳米级载体研究22-23
• 1.6 研究目的和内容23-26
• 1.6.1 研究目的23
• 1.6.2 研究内容23-26
• 2 实验材料与方法26-34
• 2.1 引言26
• 2.2 实验材料和设备26-27
• 2.3 催化剂制备27-29
• 2.3.1 纳米CeO_2催化剂制备28
• 2.3.2 Mn-Ce催化剂的制备28-29
• 2.4 催化剂表征29-30
• 2.4.1 物相分析29
• 2.4.2 显微形貌结构分析29
• 2.4.3 比表面积与孔结构分析29
• 2.4.4 表面酸性位分析29-30
• 2.4.5 热性能分析30
• 2.4.6 表面原子分析30
• 2.5 催化剂性能测试30-34
• 2.5.1 催化剂电化学性能测试30-31
• 2.5.2 催化剂活性测试31-34
• 3 结构对CeO_2催化剂性能影响34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 催化剂性能表征34-43
• 3.2.1 催化剂物相分析（XRD）34-35
• 3.2.2 催化剂形貌分析（SEM）35-37
• 3.2.3 催化剂比表面积和孔结构分析（BET）37-39
• 3.2.4 催化剂表面原子分析(XPS)39-41
• 3.2.5 催化剂热性能分析（TGA）41-42
• 3.2.6 催化剂表面酸性位分析（NH_3-TPD）42-43
• 3.3 催化剂性能测试43-47
• 3.3.1 催化剂电化学性能测试43-45
• 3.3.2 催化剂活性测试45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 Mn负载对催化剂性能影响研究48-60
• 4.1 引言48
• 4.2 催化剂性能表征48-55
• 4.2.1 负载后催化剂物相分析（XRD）48-49
• 4.2.2 负载后催化剂形貌分析（SEM、TEM）49-51
• 4.2.3 负载后催化剂比表面积和孔结构分析（BET）51-53
• 4.2.4 Mn-Ce催化剂表面原子分析(XPS)53-55
• 4.3 催化剂性能测试55-58
• 4.3.1 Mn-Ce催化剂电化学性能测试55-56
• 4.3.2 Mn-Ce催化剂活性测试56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 5 复合催化剂脱硝过程Mn、Ce协同作用研究60-68
• 5.1 引言60-61
• 5.2 催化剂Mn-Ce协同作用研究61-64
• 5.2.1 Mn-Ce催化剂热性能分析61-62
• 5.2.2 Mn-Ce催化剂协同催化性能分析62-63
• 5.2.3 复合催化剂协同机理63-64
• 5.3 煅烧对协同作用影响研究64-65
• 5.4 本章小结65-68
• 6 结论及展望68-70
• 6.1 结论68
• 6.2 工作展望68-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-80
• 附录80
• A. 作者攻读硕士学位期间发表的论文目录80
• B. 作者攻读硕士学位期间申请的发明专利80
• C. 作者攻读硕士学位期间参与的科研项目80

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