石墨烯担载铈基催化剂的制备及其低温催化还原脱硝性能

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氮氧化物(NOx)是大气重要污染源之一,其中以NH3为还原剂的低温选择性催化还原(SCR)脱硝技术因其具有NOx脱除率高、能耗低等优点,成为当前工业应用和研究的主流方向。基于石墨烯独特的二维结构、超高的比表面积、良好的电子迁移率等优异特性,选择其作为催化剂载体,以其通过改变金属氧化物催化剂的微结构提高其与活性物种之间的活性位,进而提高催化活性或降低催化反应温度;鉴于锰铈基催化剂在低温下表现出较高脱硝活性以及铈氧化物和锰氧化物之间的协同催化作用,本论文选择石墨烯为催化剂载体,采用水热合成法,制备了系列MnOx-CeOx/rGO和CeO2-SnO2/rGO催化剂,并就催化剂的制备参数、反应条件和脱硝性能之间的内在关系进行了系统研究。主要结论如下:  (1)在乙二醇体系中,与Mn(AC)2·4H2O为初始原料相比,KMnO4为原料所制MnOx-CeOx/rGO催化剂具有良好的低温脱硝活性;且较佳的水热反应时间为12h;向CeOx/rGO中添加MnOx后其脱硝活性显著增加;适宜的Mn/GO质量比为2,催化剂在220℃、240℃时NO转化率分别高达88.2%和89%。  (2)对MnOx-CeOx/rGO系列催化剂中,Mn/GO质量比为0.5所制催化剂中的Ce2O3以纳米颗粒分散在石墨烯薄片表面;Mn/GO质量比为2所制催化剂中金属氧化物沿着石墨烯表面继续生长,而且纳米颗粒的分散性仍较好,使得催化剂具有较高的脱硝活性。随Mn/GO质量比从0.5增加到2时,催化剂表面Ce3+含量和表面化学吸附氧含量增加,从而显著提高其脱硝活性。  (3)在水体系中,向CeO2/rGO催化剂中添加SnO2后其脱硝活性在120℃~280℃温度范围内随反应温度的升高而显著增加。且适宜的Ce/GO质量比为2.7,在160℃时NO转化率达86%,200℃~280℃操作温区内NO转化率高达97%以上。  (4)对CeO2-SnO2/rGO系列催化剂,随着CeO2和SnO2担载量的增加,生长在石墨烯表面的纳米颗粒显著增多,且纳米颗粒的分散性仍较好,随着CeO2、SnO2担载量的增加,不仅催化剂表面Ce4+和Ce3+含量提高,而且表面化学吸附氧含量增加,进而显著提高了催化剂的脱硝活性。
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