题名Cu基小孔分子筛催化剂用于NH3选择性催化还原NOx的研究
作者谢利娟
学位类别博士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师贺泓
关键词选择性催化还原 Cu-SSZ-13 一步合成法 NOx去除 柴油车尾气 selective catalytic reduction Cu-SSZ-13 one-pot synthesis method NOx removal diesel engine exhaust
其他题名Selective Catalytic Reduction of NOx with NH3 over Cu/zeolites Catalysts with Small-pore Structure
学位专业环境科学
中文摘要    NH3选择性催化还原  NOx(NH3-SCR)是目前最有效的柴油车尾气 NOx净化技术之一,NH3-SCR催化剂是该技术的核心组件。开发高效、稳定、环境友好的 NH3-SCR催化剂对提高柴油车尾气  NOx的净化效率具有非常重要的意义。由于 Chabazite  (CHA)结构的铜基小孔分子筛催化剂 Cu-SSZ-13具有催化活性优、水热稳定性高、抗碳氢化合物(HCs)中毒能力好等优点,引起学者们的密切关注。但合成 CHA分子筛材料所用的有机模板剂价格昂贵,制约了该催化材料的推广应用。近期有研究者采用低廉的新型铜胺络合物为模板剂,成功通过一步合成法制备了 Cu-SSZ-13催化剂,值得深入研究。
    本论文首先通过调整初始凝胶的配比,改良了原有一步合成法的配方,在降低模板剂用量的情况下制备高结晶度的纯相 Cu-SSZ-13初始样品。采用硝酸铵溶液和稀硝酸溶液离子交换法,进一步优化了初始样品,显著提高了原催化剂的高温活性并拓宽了温度窗口,优选的催化剂具备优异的抗高空速能力和良好的水热稳定性,对H2O、CO2和C3H6的共存也不敏感。通过  X射线衍射(XRD)、H2
程序升温还原(H2-TPR)和电子顺磁共振(EPR)等手段研究发现,具有强氧化还原能力和高稳定性的孤立 Cu2+是催化剂表现出优异 SCR活性的原因。
    后处理方法在调整Cu负载量的同时也调整了催化剂中的Na+含量。研究Cu-SSZ-13催化剂中残存  Na+含量对其水热稳定性的影响规律,发现催化剂水热稳定性下降的重要原因是 Na+含量过高导致的催化剂中 Cu物种稳定性的下降。因此,采用一步合成法制备 Cu-SSZ-13催化剂时,应避免过多的  Na+残留于催化剂中。
    不同于氧化物催化剂和其他分子筛催化剂,Cu-SSZ-13催化剂上不存在“快速 SCR”效应。NO2的存在对  NH3-SCR反应有较大的抑制作用,直接添加  NO2不是提高该催化剂催化活性的有效手段。原位漫反射傅立叶变换红外光谱(In situ DRIFTS)的研究表明,NO2的抑制效应是由  NH4NO3在催化剂表面沉积引起的。NOx在活性中心Cu位上的吸附是催化反应的关键步骤。由于  NO2的动力学直径较大,不能顺畅接触到活性位,部分未能及时反应的NO2可与吸附在Brønsted酸位上的NH4+结合生成NH4NO3。这是催化剂低温活性差的主要原因。该催化剂在 SCR反应中不依赖“快速  SCR”的反应路径。
    一步合成法制备  Cu-SSZ-13催化剂的催化性能可与液相离子交换法制备催化剂相媲美。考虑到该催化剂的成本优势,一步合成制备 Cu-SSZ-13催化剂在柴油车尾气 NOx控制领域具有非常好的应用前景。
英文摘要    The selective catalytic reduction of NOx with  NH3 (NH3-SCR) is one of the most promising  technologies for  NOx  emission  control  from diesel  engine  exhaust.  The NH3-SCR  catalyst is  the  key  component  of the  system.  Thus,  the development  of environmentally-benign NH3-SCR  catalysts with  excellent performance and  stability is central  to increasing  the NOx  removal efficiency  from diesel  exhaust. Cu-SSZ-13 catalysts  with small-pore  Chabazite  zeolite  structure have  attracted  much  attention due  to their  high  NH3-SCR  activity,  good hydrothermal  stability  and  resistance to small HCs. The template  used for the synthesis of  CHA zeolite cost very high, which is  the  main  impediment to  the  application  of  the  material.  The  one-pot  synthesis method,  using Cu-amine  complex  as  novel template,  greatly  decreases  the cost  of Cu-SSZ-13 catalysts, and is worthy of in-depth research.
    From  the  base  of  the  original  one-pot  synthesis  method,  the  procedure  was further  improved   to   decrease  Cu   loading  in   the  initial   Cu-SSZ-13   sample.  A post-treatment procedure with NH4NO3 or  HNO3 solution was carried out to optimize the   Cu   loading  in   the   catalysts,   which   increased   NH3-SCR   activity  at   high temperatures  greatly  and widened  the  operation  temperature  window. The  optimal catalyst obtained  also showed  excellent resistance  to high  gas hourly space  velocity (GHSV) and  good hydrothermal  stability, and  was also insensitive  to H2O,  CO2  and C3H6. The XRD,  H2-TPR and EPR results showed  that isolated Cu2+ with high  redox ability and stability is very important for the high SCR activity of the catalyst.
    The post-treatment procedure  adjusted the Cu  content in the catalysts  as well as the Na content.  The effects of  Na+ ions on the  hydrothermal stability of  the catalysts were  investigated.  High  Na+  content in  the  catalyst  decreased  the  stability  of  Cu species  severely, which  resulted  in  the poor  hydrothermal  stability  of  the catalyst. Thus, it  is better  to avoid excessive  Na+ remaining  in the catalyst  when the  one-pot synthesis method is used to prepare Cu-SSZ-13 catalyst.
     “Fast  SCR” is  a  common  phenomenon over  oxide  catalysts  and  other zeolite catalysts.   However,  it   was   not  observed   with   the  optimal   one-pot-synthesized Cu-SSZ-13 catalyst. NO2 inhibited the SCR activity of  the catalyst, and increasing the NO2 ratio directly in the feed gas is thus not an effective way to improve  its NH3-SCR performance. The results of in situ DRIFTS indicated that NH4NO3 deposition was thereason for the inhibitory effect. The adsorption of  NOx on Cu sites was the key step in the reaction. Due  to the large  kinetic diameter of NO2,  NO2 could not  establish good contact with active sites,  and part of it combined  with NH4+ on Brønsted  acid sites to form  NH4NO3.  This  is  the  main reason  the  catalyst  showed  poor  activity  at  low temperatures. “Fast SCR” reaction path is not suitable for the optimal catalyst.
    The  Cu-SSZ-13  catalyst   prepared  by  the  one-pot  synthesis   method  showed equivalent NH3-SCR performance to that prepared by the liquid ion exchange method. Considering  the  cost,  it  is  believed  that  the  Cu-SSZ-13  catalyst  prepared  by  the one-pot synthesis  method is  a very  promising catalyst  for the  removal of NOx   from
diesel engine exhaust.
公开日期2015-06-12
内容类型学位论文
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/13462]  
专题生态环境研究中心_大气污染控制中心
推荐引用方式
GB/T 7714
谢利娟. Cu基小孔分子筛催化剂用于NH3选择性催化还原NOx的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.
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