棒狀CeO2負載Mn的低溫SCR活性研究

張呈祥 趙長玉 艾靈

摘 要：以硝酸錳為錳源，以棒狀CeO2為載體，采用等體積浸漬法制備了不同Mn/CeO2（棒）比值的低溫SCR催化劑，分析了在220℃及以下的低溫脫硝活性，并采用BET、表面形貌測定技術對其進行表征，以分析其脫硝活性差異的原因所在。結果表明：以棒狀CeO2為載體的Mn基低溫催化劑的脫硝活性要優于市售的以CeO2為載體的Mn基低溫催化劑；且在80-220℃溫度區間內，以棒狀CeO2為載體的Mn基低溫催化劑均表現出了良好的脫硝活性，其中，Mn負載量為30%時的催化劑表現出了最好的脫硝活性，在溫度為160℃時，其NO轉化率可在接近100%，其原因主要在于在以棒狀CeO2為載體的Mn基催化劑表面較為均勻，比表面積更大，因此，其脫硝活性也更好，Mn負載量為30%時，其比表面積最大，因此脫硝活性也最好。

關鍵詞：棒狀CeO2；負載型低溫催化劑；Mn基，脫硝活性；選擇性催化還原

氮氧化物（NOx）是目前大氣中廣泛存在的一種污染物，化石燃料的燃燒是其主要來源，其中90%以上的NOx是NO，NOx也是目前酸雨與光化學煙霧等各種問題的原因，對生態環境有嚴重的危害。選擇性催化還原（SCR）是目前處理NO 的有效方法，催化劑則是該處理技術的核心部分。目前300-400高溫催化劑能夠運用于多數領域的NO x處理系統中，但對于部分含有大量粉塵與有毒物質的煙氣處理裝置，則會存在催化劑磨損嚴重與中毒失活的問題，因此，低溫SCR催化劑成為目前解決該問題的重要方向。負載型Mn基（MnOx）催化劑是目前低溫低溫NH3-SCR脫硝催化劑的研究熱點之一，因MnOx 作為一種活性成分，可提供的自由電子與氧空位較多，因此表現出了良好的低溫SCR活性[1]。載體則是負載型催化劑的重要組成部分之一，是將催化活性成分負載于載體表面中，并使活性組分在載體表面分散，并獲得較高比表面積，以提高活性組分單位質量內的催化效率的有效方法。CeO2是目前應用較為廣泛的一種載體，該載體可使催化劑表面獲得更多化學吸附氧，其儲氧性能與氧化還原性能良好，能夠有效提高在催化劑中的分散性，增加了催化劑表面的酸性，進而提高了NH3-SCR催化劑的吸附率[2]。本文采用浸漬法制備了一種棒狀CeO2負載一定量Mn的低溫催化劑，并分析了其脫硝活性。

1 實驗部分

1.1 催化劑制備

將0.5-1.5mol的Ce（NO3）·6H2O加入5-15mL去離子水中溶解，制備混合溶液后，劇烈攪拌，再將25-35mL濃度為5-15mol/L的NaOH溶液加入其中繼續攪拌，得到的混合物放入聚四氟乙烯反應釜中持續反應6-24h，設定溫度100-120℃，攪拌速度500-1500r/min，取出反應物自然冷卻到室溫后經水洗、酒精洗滌、干燥后獲得棒狀CeO2。

采用等體積浸漬法制備催化劑。將上述獲得的棒狀CeO2 0.01mol分別浸漬于0.003、0.005、0.003mol Mn（NO3）2？6H2O溶液中12h，Mn與棒狀CeO2摩爾體積比分別保持0.3：1、0.5：1、0.7：1。浸漬產物置于80℃烘箱中烘10h，靜態氣氛下置于馬弗爐中在500℃條件下煅燒6h，即可獲得所需的催化劑，即Mn（0.3）/ CeO2 （棒）、Mn（0.5）/CeO2（棒）、Mn（0.7）/ CeO2 （棒）。同時，將0.01mol CeO2浸漬于0.005mol Mn（NO3）2·6H2O溶液中，重復上述步驟，制成Mn（0.5）/ CeO2催化劑。

1.2 催化劑表征

BET測定：采用TriStar Ⅱ 3020型物理吸附儀（美國Micromeritics公司）測試比表面積，吸附質為N2，吸附條件為-196℃，獲取N2吸/脫附等溫線后，用BET方程計算比表面積。

形貌測定：采用GeminiSEM 500掃描電子顯微鏡（德國ZEISS公司）進行測定，加速電壓參數0.3-15kV。

1.3 催化劑活性測定

催化劑SCR脫硝活性測試使用固定床反應器，分別由配氣系統、反應系統與尾氣分析系統三個部分組成，反應器直徑15mm。模擬煙氣由0.08% NO、0.08% NH3、5% O2、0.01% SO2（選用）組成，高純N2作為平衡氣，催化劑用量0.4mL，裝填高度10mm，煙氣流量300mL/min，反應溫度80-220℃，空速60000h-1。尾氣分析儀為KM900，反應穩定30min后，對反應后的氣體進行分析，檢測NO 濃度。NO脫除率計算公式：

與 分別表示反應器入口與出口處的NO濃度。

2 結果

2.1 催化劑活性評價

不同催化劑樣品的低溫SCR活性結果見圖1、圖2，由圖1可知棒狀CeO2負載50%Mn催化劑脫硝活性優于普通市售CeO2負載50%Mn催化劑，棒狀CeO2負載50%Mn催化劑表現出了良好的脫硝活性。

由圖1可知，活性組分Mn的負載量對棒狀CeO2催化劑脫硝活性有顯著的影響，當溫度為80-160℃時，30%Mn負載量與50%Mn負載量的催化劑的NO轉化率呈逐漸上升的趨勢，并在160℃時，達到最高值100%，當溫度在160-220℃時，兩種催化劑的NO轉化率呈逐漸下降趨勢。當溫度為80-180時，70%Mn負載量的催化劑的的NO轉化率呈逐漸上升趨勢，并在180℃時，達到最高值，約為95%左右，當溫度為180-220℃時，呈逐漸下降趨勢，由于30%Mn負載量的催化劑在各個反應溫度下，均表現出了略高于50%Mn負載量催化劑的NO轉化率，因此，當Mn負載量為30%時，棒狀CeO2負載Mn催化劑脫硝活性最優.

2.2 催化劑比表面積

由表1可知，Mn負載量從30增加到70%時，比表面積也在逐漸縮小，當Mn負載量為30%時，比表面積最大，暴露在載體表面的活性位點也最高，更有利于吸附氣體，因此，Mn（0.3）/CeO2（棒）的催化活性也最高。

2.3 討論

低溫SCR反應過程中，反應所遵循的原理主要是 機理，還原劑NH3首先會被表面的酸所吸附、活化，再與氣相中的NO進行反應并生成NH3+NO3與NH2NO（ads），該機理主要通過NH3的部分氧化達到限速。Mn基催化劑中無載體時，Mn3+與Mn4+的共存，會使NH3的部分氧化出現增強效應，并展現為以下反應機理：

（1）

（2）

（3）

添加CeO2后，增強了反應過程中的氧流動性，使反應（2）效果更佳，顯著增加了催化劑表面Mn4+的比例，增強了對NH3的氧化效應，進而提高了低溫SCR活性。隨著負載量的不斷降低，催化劑對于NH3的氧化能力也在不斷增強，因此體現出了更好的脫硝活性。本文所采用的棒狀CeO2，其所形成的催化劑能夠暴露{110}{100}兩個晶面，而片狀、球狀CeO2僅能暴露其中一個晶面，使負載體與Mn納米粒子接觸更為充分，棒狀CeO2暴露晶面活性更佳，能夠提供更多的氧空位，提高了催化氧化活性[3]。NH3-SCR催化反應體系中，NO轉化主要通過以下方式進行：

（4）

（5）

（6）

第（4）反應是主反應體系，而第（5）反應體系速率遠高于其他兩個反應體系。因此，在反應體系中產生NO2時，催化反應系統將優先進行反應（5），并表現出高反應速率。CeO2負載MnO 催化劑中，當表面Mn4+含量增多時，由反應式 可知，Ce3+含量也隨之增加，進而提高了氧空位數，有利于提高催化劑的氧化還原能力，進而提高NO向NO2的氧化反應能力，顯示出更好的SCR催化活性。

Mn負載量是影響催化劑性能的主要原因之一，改變Mn負載量的同時也改變了Ce/Mn的摩爾比，使催化劑表現出了比例不同的Mn4+與Ce3+含量，進而體現出了不同的氧化活性。同時，由于Ce與Mn離子存在競爭吸附關系，且Ce的催化活性要好于Mn，本實驗表明，當Mn負載量為30%時，氧化活性最強，且Ce與Mn的比例越接近1：1， Mn能夠均勻地附著于催化劑表面，更好地發揮兩者的協同催化作用，Ce→O原子之間的電子躍遷量也更大，進而表現出最好的催化活性。

結論

（1）以硝酸錳為錳源，以棒狀CeO2為載體，采用等體積浸漬法制備了不同Mn/CeO2（棒）比值的低溫SCR催化劑。

（2）Mn負載量為30%時的催化劑表現出了最好的脫硝活性，在溫度為160℃時，其NO轉化率可在接近100%，且NO轉化率能夠在較長時間內保持一定的穩定性。

（3）表征分析表明，以棒狀CeO2為載體的Mn基催化劑表面較為均勻，比表面積更大，因此，其脫硝活性也更好。

參考文獻：

[1]楊永利，徐東耀，晁春艷，等.負載型Mn基低溫NH3-SCR脫硝催化劑研究綜述[J].化工進展，2016，35（4）：1094-1100.

[2]張哲，謝峻林，方德，等.CeO_2在SCR低溫脫硝催化劑中應用的研究進展[J].硅酸鹽通報，2014，33（11）：2891-2896.

[3]陶飛. CeO_2-MnO_x復合氧化物的形貌調控合成及其對CVOCs催化性能的研究[D].浙江大學，2017.