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以稀燃条件下选择性催化还原NOx为目的,利用催化活性评价、原位漫反射红外光谱、程序升温脱附、密度泛函模拟计算、比表面积测定、X光电子能谱、透射电镜及X射线衍射等研究手段,对富氧条件下贵金属改善的Ag/Al2O3选择性催化丙烯还原NOx反应进行了系统的研究,尤其是对贵金属改善的Ag/Al2O3催化反应机理,包括反应中间体的形成与反应性能、催化剂的水热稳定性及硫中毒机理,催化剂抗硫性能提高进行了深入探讨,获得了如下创新成果:
1.与Ag/Al2O3的催化活性相比,添加贵金属的Ag/Al2O3催化活性有明显改变,其中添加Pd后,低温活性(300-450℃)有了明显的改善,反应活性温度窗口加宽,而添加Pt或Au后,催化活性有较明显的下降。原位DRIFTS和DFT模拟计算的结果表明,添加Pd有利于丙烯在Ag-Pd/Al2O3催化剂表面部分氧化,形成表面烯醇式物种(CH2=CH-O--M、CH2=CH-CH=CH-O--M)。与乙酸盐相比,烯醇式物种具有与NO+O2和NO3-更优异的反应活性,从而形成更高表面浓度的关键性中间体-NCO。在此基础上提出了Ag-Pd/Al2O3催化丙烯选择性还原NOx新反应机理,该机理较合理地解释了Ag-Pd/Al2O3相比Ag/Al2O3催化活性改善的内在原因。
2.阐明了Ag-Pd/Al2O3上SO2中毒机理。SO2的存在对Ag-Pd/Al2O3催化活性有明显的中毒效应,尤其是在低温下(200-450℃)影响更大。XPS、BET和InSituDRIFTS结果表明,SO2在催化剂表面上氧化生成硫酸盐,它在表面上不断积累而占据了一定数量的碱性活性位,从而导致了催化剂活性位数量的下降,使得丙烯部分氧化产物和硝酸盐的生成受到一定影响,尤其是硝酸盐在表面上的生成受到很大的抑制,从而不利于该反应关键中间体-NCO的形成。这一系列的连锁反应最终导致整个NOx还原反应的活性降低。
3.研制出一种新型双金属双载体耐硫催化剂——Ag-Pd/Al2O3-SiO2。在深入研究了Ag-Pd/Al2O3硫中毒机理的基础上,通过对载体性质进行改性,优化制备条件,研制出了抗硫中毒催化剂。XPS结果表明,与Ag-Pd/Al2O3相比,该催化剂在SO2的存在下进行活性评价后,Ag-Pd/Al2O3-SiO2表面硫酸盐的积累明显减少。稳态InSituDRIFTS结果表明,同样是经过SO2中毒后的Ag-Pd/Al2O3和Ag-Pd/Al2O3-SiO2的C3H6+NO+O2稳态红外光谱中,后者的表面烯醇式物种和硝酸盐的相对强度明显比前者高。动态InSituDRIFTS结果表明,在两种中毒的催化剂上,相同的实验条件下,NO和O2与丙烯的部分氧化产物(enolicspeciesandacetates)进行反应,Ag-Pd/Al2O3-SiO2表面上-NCO的生成速度明显比Ag-Pd/Al2O3快,也就是说SiO2的添加显著改善了Ag-Pd/Al2O3抗硫中毒性能。