焙燒溫度對MnOx催化還原NO性能的影響

梁海龍，吳彥霞，陳玉峰，胡利明，王春朋

(中國建筑材料科學研究總院有限公司陶瓷科學研究院，北京 100024)

作為大氣污染物之一的氮氧化物，不僅會引起光化學煙霧、酸雨、臭氧層破壞等問題，還會嚴重危害人體健康。因此，氮氧化物的治理與減排已成為環境保護的重要課題[1]。在各種去除氮氧化物的技術中，選擇性催化還原(SCR)技術被認為是最為成熟、有效的氮氧化物去除方法，其具有高活性和高選擇性的優點，廣泛應用于固定源氮氧化物的去除[2]。目前市場上常用的SCR催化劑為釩鈦系催化劑，其活性溫度窗口為300～400 ℃，SCR反應塔一般布置在脫硫除塵器之前，此時催化劑易受到高濃度的粉塵與SO2的沖刷，造成催化劑中毒失活[3]。而將SCR反應塔布置在脫硫除塵器之后則可避免上述問題，但此時煙氣溫度通常低于250 ℃，釩鈦系催化劑達不到理想的脫硝效果，因此，開發低溫高效的SCR催化劑具有重要意義。

近幾年，過渡金屬催化劑顯示出了優良的低溫脫硝活性，如MnOx，FeOx，CoOx，CuOx等。金屬Mn具有獨特的氧化還原性和環境友好性，被證實是優良的NH3-SCR反應催化劑。Wu Zhongbiao等[4]采用溶膠-凝膠法制備的MnOx/TiO2催化劑具有良好的低溫活性。Yao Xiaojiang等[5]采用不同方法制備了一系列MnOx-CeO2催化劑并用于低溫NH3-SCR反應，發現低溫脫硝性能由高到低的順序為：水熱法>溶膠-凝膠法>共沉淀法>浸漬法>機械混合法。趙曉媛等[6]采用超聲波浸漬法、傳統浸漬法和溶膠-凝膠法制備了一系列MnOx/TiO2催化劑，結果表明超聲浸漬法制備的MnOx/TiO2催化劑表現出較好的反應活性，特別是在低溫窗口(120 ℃以下)，100 ℃時的脫硝率達到了90%。

傳統的制備方法存在MnOx顆粒團聚、分散不均勻以及形貌不可控等問題，不能充分發揮MnOx催化劑的催化效果[7]。金屬有機骨架(MOFs)材料是由金屬基團和有機鏈接基團組成的新型結晶多孔材料，因其具有超高的比表面積、強大的吸附能力、多功能的金屬中心和孔道的可修飾性，被廣泛應用于氣體儲存分離、化學傳感和催化等諸多領域[8]。同時由于MOFs金屬離子的可調控性和配體的易裁剪性，MOFs被認為是制備特殊性質功能材料的理想犧牲模板。采用MOFs作為犧牲模板，可得到具有可調控孔徑大小、特定形貌以及高分散活性組分等特征的復合金屬氧化物納米顆粒[7]。

本研究以Mn-MOF為犧牲模板，制備MnOx催化劑，并用于NO的SCR反應，考察焙燒溫度對MnOx理化性質及催化還原NO性能的影響。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

對苯二甲酸，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司產品。N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇、六水合乙酸錳等試劑，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司產品。

1.2 催化劑的制備

1.2.1 Mn-MOF材料的制備

將0.223 g對苯二甲酸溶解到60 mLN，N-二甲基甲酰胺、4 mL無水乙醇和4 mL去離子水組成的混合液中，攪拌均勻。向上述溶液中加入1.088 g六水合乙酸錳，攪拌0.5 h。然后轉移至100 mL不銹鋼水熱反應釜中，置于135 ℃的恒溫干燥箱中保溫24 h，然后冷卻至室溫，過濾分離固相產物。用10 mLN，N-二甲基甲酰胺洗滌3次，然后用10 mL無水乙醇洗滌3次，在85 ℃下干燥2 h，得到棕色的Mn-MOF材料。

1.2.2 MnOx的制備

將Mn-MOF前軀體在馬弗爐中空氣氣氛下以5 ℃/min的速率分別加熱到300，400，500，600 ℃進行焙燒，保溫4 h，隨爐降溫后取出，制得黑色MnOx粉末。制得的催化劑分別記為MnOx-300，MnOx-400，MnOx-500，MnOx-600。

1.3 催化劑的活性評價

催化劑的活性評價在內徑為14 mm的不銹鋼固定床連續流動反應器上進行，通過加熱電爐控制反應溫度，試驗裝置如圖1所示。模擬氣體經質量流量計計量后進入混合器。模擬氣體組成(φ)為：6% O2，0.05% NO，0.05% NH3，N2為平衡氣。催化劑用量為3 mL，氣體總流量為1 L/min，體積空速為20 000 h-1。使用德國德圖公司生產的Testo350型煙氣分析儀測定入口和出口的NO和NH3濃度，計算NO轉化率和NH3轉化率，以NO轉化率作為脫硝活性的評價指標。試驗過程中，在每一溫度點下均穩定反應10 min。

圖1 催化劑活性評價試驗裝置

1.4 催化劑的表征

催化劑的X射線衍射(XRD)表征在德國D8 advane型XRD儀上進行，Cu Kα射線，掃描范圍2θ為10°～80°；N2吸附-脫附表征在美國Quantachrome公司生產的Autosorb-iQ型物理吸附儀上進行，測定催化劑的比表面積、孔體積及孔徑，吸附質為N2；催化劑的NH3程序升溫脫附(NH3-TPD)和H2程序升溫還原(H2-TPR)表征在美國麥克公司生產的Auto Chem Ⅱ 2920型化學吸附儀上進行。

2 結果與討論

2.1 焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響

圖2為焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響。由圖2可知，在80～200 ℃溫度區間，隨著反應溫度的升高，不同焙燒溫度制備的催化劑的脫硝活性均呈上升趨勢。這主要是由于反應溫度升高，氣體自身的反應活性增加，有利于反應氣體在催化劑表面的吸附和脫附，使得脫硝活性增加[9]。催化劑的整體脫硝活性由高到低的順序為：MnOx-300>MnOx-400>MnOx-500>MnOx-600。隨著制備過程中焙燒溫度的升高，催化劑的脫硝活性降低。MnOx-300催化劑的低溫脫硝活性最高，同時NO轉化率大于90%的反應溫度區間也最寬，為120～200 ℃。MnOx-600催化劑的脫硝活性最低，在反應溫度為200 ℃時的脫硝活性最高，但NO轉化率也僅為50%左右。這主要是由于焙燒溫度過高時催化劑的活性組分發生燒結結晶，降低了活性組分的分散度；同時，焙燒溫度過高使得催化劑內孔孔道塌縮，導致催化劑的孔體積減小，從而比表面積降低[10]。

圖2 焙燒溫度對催化劑脫硝活性的影響

在NH3-SCR反應中，不可避免地存在NH3的氧化反應。NH3的氧化不僅使得參與反應的還原劑減少，而且會產生一定量的氮氧化物，使催化劑脫硝率降低。為進一步探究焙燒溫度對MnOx催化體系氧化還原性的影響，對不同焙燒溫度制備MnOx催化劑的NH3氧化能力進行了分析考察。圖3為不同催化劑對NH3的轉化率。由圖3可知：隨著反應溫度的升高，NH3轉化率逐漸增大；在反應溫度低于140 ℃時，各催化劑對NH3的轉化率低于20%；MnOx-500和MnOx-600的NH3氧化反應起始活性溫度約為140 ℃，而MnOx-300和MnOx-400的NH3氧化起始活性溫度約為160 ℃，表明催化劑對NH3的氧化活性隨著焙燒溫度的升高而增強；當反應溫度為200 ℃時，各催化劑對NH3的轉化率均接近100%，這不僅會導致用于還原NO的NH3減少，同時NH3氧化反應生成的NO又與NH3在催化劑表面發生競爭吸附，使催化劑的高溫脫硝活性降低。

圖3 焙燒溫度對催化劑NH3轉化率的影響

2.2 催化劑的XRD表征

圖4為MnOx催化劑的XRD表征結果。由圖4可見，在2θ為18.31°，29.22°，32.66°，36.38°，44.70°，51.08°，60.19°等處出現了Mn3O4的特征衍射峰。與其他催化劑相比，MnOx-600催化劑在2θ為32.66°處的衍射峰強度增大且峰寬變窄，說明隨著焙燒溫度的升高，Mn3O4的結晶度發生變化，呈現提高的趨勢。研究表明，高結晶度不利于活性組分在催化劑表面分散，催化劑載體容易包裹活性組分，導致團聚現象的產生，造成催化劑的SCR活性下降[11]。

圖4 催化劑的XRD圖譜

2.3 催化劑的N2吸附-脫附表征

表1為催化劑的孔結構參數。由表1可知，焙燒溫度在一定程度上會對催化劑的孔結構產生影響。隨著焙燒溫由300 ℃升至600 ℃，催化劑的比表面積由42.45 m2/g降至28.29 m2/g，孔體積由0.122 cm3/g降至0.079 cm3/g，平均孔徑由10.25 nm增至13.06 nm。這主要是由于隨著焙燒溫度的升高，催化劑表面發生燒結，Mn3O4晶粒長大以及載體局部骨架結構發生坍塌，從而導致比表面積和孔體積降低，平均孔徑增大[12]。雖然平均孔徑的增大促進了反應物和產物的擴散，但比表面積和孔體積的減小使得催化劑表面活性組分的分散性降低，減少了催化劑表面活性位，不利于反應物和產物分子的吸附和脫附，因而催化劑的SCR活性呈現降低的趨勢[11，13]。

表1 催化劑的孔結構參數

2.4 催化劑的NH3-TPD表征

圖5為MnOx催化劑的NH3-TPD表征結果。由圖5可知：MnOx-300和MnOx-400催化劑在75～200 ℃和350～450 ℃兩個區間出現NH3脫附峰，分別歸屬于弱酸位點和強酸位點的NH3的脫附；在MnOx-500催化劑上也可以觀察到2個NH3脫附峰，但對應強酸的脫附峰已不明顯；MnOx-600催化劑在弱酸位上的脫附峰幾乎消失，只有強酸位對應的NH3脫附峰[14]。當催化劑的焙燒溫度較高時，催化劑的NH3總脫附量變少，尤其是弱酸位點的NH3脫附量消失，此時催化劑具有較低的SCR活性，說明弱酸位點在反應中起關鍵作用[15-16]。

圖5 催化劑的NH3-TPD曲線

2.5 催化劑的H2-TPR表征

為了深入研究焙燒溫度對MnOx催化劑活性物種氧化還原能力的影響，對MnOx催化劑進行H2-TPR表征，結果如圖6所示。由圖6可知，各催化劑的H2-TPR曲線均呈現出一個不對稱的寬型峰，這種寬型峰一般至少由兩個峰重疊而成[17]。MnOx一般按MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO的順序進行還原，由此推測，H2-TPR 峰應為MnO2、Mn2O3和Mn3O4同時還原的峰，由于受熱力學影響，MnO的進一步還原在本試驗條件下不會出現[18]。從圖6還可以看出，催化劑還原峰的峰溫由高到低的順序為：MnOx-600>MnOx-500>MnOx-400>MnOx-300。還原峰的位置與催化劑結合吸附氧和晶格氧的能力有關，隨著焙燒溫度的升高，還原峰向高溫方向移動，說明催化劑表面或者氧空缺處的化學吸附氧和晶格氧的移動性變差，降低了催化劑的還原能力，不利于SCR反應中重要的中間反應，即將NO氧化成NO2，從而降低了催化劑的SCR活性。也就是說還原溫度較低時，催化劑中的氧具有更好的遷移性，故MnOx-300對NO具有更好的選擇還原性。

圖6 催化劑的H2-TPR曲線

3 結 論

隨著焙燒溫度的升高，MnOx催化劑的結晶度提高，比表面積減小，不利于活性組分的分散，同時，在SCR反應中起關鍵作用的弱酸性位點減少，催化劑表面或者氧空缺處的化學吸附氧和晶格氧的移動性變差，降低了催化劑的還原性能，SCR反應難以進行，因此，催化劑的脫硝活性降低。300 ℃焙燒的催化劑具有最佳的低溫NH3-SCR性能，在120～200 ℃反應時，NO轉化率達90%以上。