[发明专利]一种高效的Mn基催化剂制备及氮氧化物消除性能研究

说明书

本发明提供一种低温下高效、耐硫中毒的Mn基复合氧化物纳米催化剂，并应用于火电厂和硝酸厂排放的氮氧化物净化。该催化剂在150℃的NO_x可以达到96.8％以上，且可操作窗口宽。所制备的催化剂主要包含Mn，W及Ce中的多种组合而成。催化剂在250℃，100ppm SO₂条件下，NO_x的转化率从98％降低到82％，其抗硫性能明显优于目前商业化V基SCR催化剂。本发明提供催化剂的净化效果优于传统NO_x净化催化剂。且制备工艺简单，操作方便，成本低，NO_x转化率高，具有明显的工业应用价值。

技术领域

本发明属于纳米技术领域，具体涉及一种Mn-W/Ce纳米催化剂应用于固定源中的发电厂和硝酸厂等排放的氮氧化物净化。

背景技术

火电厂和硝酸厂等固定源产生的氮氧化物(NO_x)是主要大气污染物之一，其对环境和人类健康造成的不利影响日益严重。目前氨气选择性催化还原被认为最为有效的消除固定源排放的NO_x的方法之一，目前，用NH₃作还原剂，在V₂O₅-TiO₂-WO₃催化剂作用下选择性催化还原废气中的NO_x使之生成N₂的方法在国外已经成功应用于治理固定源污染如硝酸厂尾气、发电厂烟道气、重油锅炉废气等。但NH₃-SCR催化剂存在的主要问题是低温活性较差(50-250℃)，且易SO₂中毒，且V基催化剂有毒，在移动过程中容易脱落，造成二次污染。

近年来，国内外研究者为获得上述高性能SCR催化剂开展了大量的研究，如Mn、Ce、Cu和Fe基等催化剂。其中，CeO₂由于具有良好的储氧能力和氧化还原性能，且具有丰富的表面氧缺陷位，有利于Ce³⁺通过Mars-van Krevelen路径进行再氧化过程。此外，Ce的电子捐赠效应会削弱NH₃的氧化，赋予了Ce基催化剂在高温下较高的N₂选择性，受到许多研究者的青睐。然而，由于纯CeO₂自身表面酸性位较少，导致低温SCR活性和抗硫性能远不能满足实际要求。众多的研究通过在CeO₂中复合两类过渡金属氧化物来提高低温活性和抗硫性能。一类是具有较好氧化还原性能的过渡金属氧化物，如Cu、Mn和Co等，可以显著改变Ce的表面，形成更多的表面氧缺陷，提高催化剂的氧化还原能力，同时形成更多接受孤对电子的空轨道，促进NH₃的吸附。且Cu、Mn和Co等氧化物由于具有不饱和的d电子结构，d轨道上的不饱和电子容易迁移到NO和NH₃上，有利于提高低温催化活性。另外一类如Ti和W等具有高酸度/低碱度的过渡金属氧化物，通过它们与Ce的氧化物复合可以增强Lewis酸性位，促进NH₃的吸附与活化，且在该类组分上形成的硫酸盐相对不稳定，可有效抑制SO₂的吸附和促进形成的硫酸盐物种分解，从而提高催化剂的抗硫性能。

发明内容

本发明我们提出高效NH₃-SCR催化剂的设计需要兼具氧化功能位和合适的酸/碱性功能位。氧化位有利于促进NO氧化成NO₂，从而有利于“快速”SCR反应的进行，有利于提高催化剂的低温SCR活性。通过增强表面酸性位的数量有利于促进NH₃的吸附，从而提高催化剂的N₂选择性，而减少表面强碱性位的比例，有利于抑制SO₂的吸附和氧化，从而增强催化剂的抗硫性能。因此，需要将上述两类过渡金属同时设计在Ce基催化剂中。

本发明的目的是提供一种低温、高活性、抗SO₂中毒的廉价催化剂，该催化剂主要应用固定源排放的NO_x净化，且在较宽的空燃比范围内均表现高的NO_x消除活性。