Al-MCM-41分子筛包覆金属氧化物催化剂在低温脱硝中的抗性机制研究

The emission of nitric oxides from power plants, industrial boilers, and other stationary sources has caused serious atmospheric environmental pollutions. One of the most efficient and widely used techniques, selective catalytic reduction of NOx by NH3, suffers severe catalysts deactivation by SO2, H2O, alkaline metals and heavy metals during the practical application including refuse incinerator, cement plants, glass furnaces, and biomass power plants. In this proposal, we plan to develop a novel deNOx catalyst with superior NOx removal efficiency, N2 selectivity and resistance ability via using Al-MCM-41 mesoporous molecular sieve to confine metal oxides inside. It is expected to reveal the influence of nano-confining effect and interfacial effect of Al-MCM-41 confining metal oxides materials on the NOx adsorption, activation and reaction process during the deNOx process. Besides, the molecular sieve shell will also show a self-protection effect by combining physical prevention and chemical anchor to protect the active species from poisoning by SO2, alkaline and heavy metals. Through a series of chemical characterizations, in-situ measuring techniques and DFT calculation, the catalysts deactivation mechanism by SO2, alkaline metals and heavy metals should be figured out. The relation between the deNOx performance and dual effects of nano-confining and interface interaction will be clearly demonstrated. Furthermore, the surface acid sites, ion-exchange ability and channel characteristics of Al-MCM-41 mesoporous molecular sieve will be investigated in detail to reveal the mechanism of promoted resistance. In consequence, we hope the work conducted in this proposal could provide a novel approach for the design and synthesis of low temperature SCR catalysts and make the industrial application more reliable.

燃煤电厂和工业锅炉等固定源排放的烟气中含有的氮氧化物对大气环境造成了严重污染，目前广泛应用的选择性催化还原技术中的脱硝催化剂易受SO2、H2O、碱金属及重金属等的影响造成严重失活，阻碍其在非电行业脱硝工艺的推广应用。本项目拟采用酸性介孔硅铝酸盐Al-MCM-41分子筛包覆金属氧化物，开发具有宽温窗、高活性和高抗性的中低温催化剂。研究分子筛壳层的限域作用及核壳界面效应对氮氧化物反应物种吸附、活化、反应历程的影响，并通过物理阻隔与化学锚定的作用将有毒物质固定。结合多种表征手段、原位测试技术和DFT理论计算，明确金属氧化物催化剂在SO2、H2O、碱金属及重金属等烟气组分下的中毒失活机制，建立Al-MCM-41分子筛限域作用及核壳界面效应与脱硝活性的关联，明确分子筛壳层的酸物种调控、离子交换性能及孔道尺寸效应对抗中毒能力的促进作用机理，为非电行业脱硝工艺中低温高效催化剂的开发设计提供科学基础。

燃煤电厂和工业锅炉等固定源排放的烟气中含有的氮氧化物对大气环境造成了严重污染，目前，我国氮氧化物减排的重点已转移至非电行业和新兴发电行业，被列为“十四五”中PM2.5协同减排的重要控制指标。氨法选择性催化还原（NH3-SCR）氮氧化物生成N2是目前最具潜力、应用广泛且最有效的氮氧化物净化技术，高效催化剂的开发是该技术的核心。然而非电行业和新兴发电行业的工况条件复杂，烟气中存在高含量的碱金属、重金属、SO2、P化合物，易造成催化剂的中毒失活，严重影响催化剂使用寿命和氮氧化物净化效果。因此，亟需研制具有优异碱金属、重金属、SO2、P物种抗性的中低温环境友好型氮氧化物净化催化剂。本项目创新性地构筑了Al-MCM-41介孔硅铝酸盐包覆MnCoOx和CeTiOx金属氧化物催化剂、酸性硅铝酸盐H-ZSM-5复合改性CeTiOx催化剂、层状硅铝酸盐蒙脱土柱撑铁钛催化剂、以及纳米级硅铝酸盐EMT交换铈基催化剂，系统优化了不同硅铝酸盐改性金属氧化物的特定构筑方法，研究了特定硅铝酸盐改性组分的酸物种、酸强度、离子交换性能对活性金属氧化物的保护作用，明晰了碱金属和重金属中毒元素在不同硅铝酸盐改性组分上的固定路径，分析了介孔硅铝酸盐的孔道尺寸效应在抗SO2中毒方面的促进作用以及纳米级硅铝酸盐对磷酸盐物种的特定结合路径，深入阐述了硅铝酸盐改性组分对于传统金属氧化物催化剂抗碱金属、重金属、SO2、P物种中毒性能的促进作用机制，最终研制出了多种具有优异催化活性、N2选择性、稳定性和抗多重中毒性能的低温脱硝催化剂。本项目研究中成功研制的硅铝酸盐复合改性金属氧化物催化剂将有望解决我国非电行业和新兴发电行业中脱硝催化剂易中毒失活的关键科学难题，为氮氧化物的低温高效减排提供科学基础，具有重要的社会价值和巨大的环境效益。

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