Cu、Co、Ni改性Y型分子筛的脱硝性能研究开题报告

全文总字数：6824字

1. 研究目的与意义（文献综述）

由水泥厂尾气和柴油车排放出的大量no_x，引发了酸雨、光化学烟雾、温室效应等一系列环境问题，对人类环境造成巨大危害。选择性催化还原法(scr)通过脱硝能高效脱除尾气中的no，从而受到广泛关注，而脱硝技术的核心为催化剂。scr催化剂主要包括四种类型：钒基催化剂、贵金属催化剂、金属氧化物催化剂和分子筛催化剂。目前较为流行的钒基催化剂为v₂o₅-wo₃(moo₃)/tio₂scr催化剂，但是该催化剂有不少缺点，例如活性温度窗口较窄（300~400℃）、水热稳定性较差以及钒的生物毒性。贵金属催化剂因为是以贵金属为原料，价格昂贵、活性温度窗口较窄，易发生氧抑制和硫中毒，使其使用受到限制^[2]。金属氧化物催化剂中，mn/cu基催化剂展现出较好的低温活性，但其n₂选择性、抗h₂o和抗so₂性能较差；fe基、ce基和ti基等氧化物催化剂具有较高的高温nh₃-scr活性和抗硫行，然而他们的低温nh₃-scr活性较差。然而，分子筛催化剂具有稳定性高、选择性好、温度窗口范围宽的特点，因此分子筛催化剂是重要的研究方向之一。分子筛种类众多，x、y、zsm-5、bea等为常用的分子筛。其中y型分子筛属于大孔分子筛，水热性较新型分子筛催化剂差，但是成本低廉，离子交换容量大，性能稳定，适合于工业窑炉尾气脱硝。对于分子筛，常使用金属离子改性来增强其催化性能。比如cu离子交换分子筛，cu基分子筛具有较高的低温scr活性。郑昌坤等研究表明，采用cu改性zsm-5分子筛制备的cu/zsm-5催化剂取得了优异催化活性，cu含量的变化对cu/zsm-5催化剂的nh3-scr活性影响较大，尤其是中低温段活性差异明显，其中孤立cu² 为主要的低温活性中心，有利于提高其低温还原性。^[16]

此外，有研究表明有些金属离子改性也会对催化剂的催化活性产生影响，比如ni、co。吴虎等人在研究ni改性zsm-5分子筛催化剂及其在nh3-scr中的催化性能时，发现在负载量<10.9%时镍在分子筛中具有高度的分散性，而随着镍负载量的进一步提升，分子筛表面开始出现较大的nio颗粒^[21]。b.i.mosqueda等利用液相离子交换的形式制备了用于hydrocarbon-scr的ni改性分子筛催化剂。其研究表明，镍离子的占位变化对催化剂性能影响强于镍离子种类的变化，而且镍离子种类会导致催化活性的变化^[18]。a. de lucas等研究表明，镍、钴改性分子筛催化剂活性随着金属含量的增加而增加，在达到no_x转化率最大值后，活性随着金属含量的增加而减少。此外，所有镍分子筛催化剂的离子交换水平低于铜和钴离子交换样品。且对于ch₄-scr而言，co分子筛催化剂比cu分子筛催化剂具有更好的催化性能，因为其二价态的更不易还原^[17]。andrea等人的研究进一步探究了钴离子在ch₄-scr中的机理，他们的研究表明no被存在于氧化簇中的co³ 物质氧化，形成no₂后吸附在no_y物质上。同时气态氧根据mars-van-krevelen机制对形成的co² 进行再氧化，从而建立活性co³ /co² 氧化还原对。位于交换位置的孤立的co² 阳离子起到了间接的作用，促进了no的化学吸附，因此实际上充当了no的储存场所。而在co³ 位点氧化形成的预吸附态no_y被对应的气态ch₄还原，这与eley-rideal机制有关。^[19]对于nh₃-scr中钴离子的机理，pawel boron等人研究表明钴离子以两种形式存在：准四面体（钴含量低）和八面体（钴含量高），其中准四面体co（ii）对其催化剂性能有较大影响^[20]。

对此本课题通过引入cu、co、ni三种元素来研究改性方式与分子筛物化性能的关系，探索催化剂不同物种与催化性能之间的关系，最终比较这三种金属离子改性分子筛的性能，这对于我国催化剂的实际生产有指导意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、文献调研，熟悉cu、co、ni负载y型分子筛脱硝催化剂的研究现状，了解其的应用概况及发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系，掌握相关的实验操作与研究方法；

2、通过液态离子交换法制备cu、co、ni离子交换分子筛，改变离子交换条件，并探究不同条件下分子筛催化剂的脱硝性能；

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译，明确研究内容，了解研究所需原料、仪器设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4-6周：开展cu、co、ni改性y型分子筛催化剂的制备-脱硝活性测试；

第7-12周：对催化剂进行系列表征，对cu、co、ni改性分子筛性能进行比较，探讨催化剂的脱硝机理。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈佳炜. 金属掺杂的cu-ssz-13分子筛催化剂合成及其nh₃-scr催化性能研究[d]. 浙江大学, 2019.

[2] 王彩燕. 酸或稀土元素（ce、la）改性对cu-sapo-34上nh₃选择性催化还原no_x抗水热性能的影响[d]. 昆明理工大学, 2016.

[3] lupeng han, sixiang cai, min gao, etal. selective catalytic reduction of no_x with nh₃ byusing novel catalysts: state of the art and future prospects[j]. chemicalreviews 119 (2019) 10916-10976.