机动车尾气脱硝催化剂Cu-SSZ-13的改性研究进展

Cu-SSZ-13催化剂具有优异的CHA骨架结构,在机动车尾气脱硝领域具有很好的应用前景,目前在欧洲已经实现商业应用。为解决尾气中硫氧化物和水热冲击对Cu-SSZ-13骨架和活性位点产生的损害问题,对其进行改性是目前的研究重点。本文归纳了近年来针对Cu-SSZ-13催化活性位点的研究进展以及水热老化、硫中毒导致其失活的机理研究成果;重点论述了针对Cu-SSZ-13催化活性和耐受性能提升的最新改性方法(包括创建新型纳米结构、构建中毒牺牲位点、金属掺杂改性等),以期为提升Cu-SSZ-13催化性能和抗中毒性能研究提供新思路;对Cu-SSZ-13改性技术的未来发展进行展望,提出通过特定金属掺杂和新颖制备方法来控制沸石内的离子种类可实现调控活性位点的创新思路。最后针对性讨论了催化剂改性过程中需要解决的关键问题。

Cu-SSZ-13用于NH_(3)选择性还原NO_(x)实验教学设计

以柴油车尾气氮氧化物(NOx)净化处理为研究主题,结合氨气(NH3)选择性催化还原NOx技术(NH3-SCR)理论及研究成果,进行了Cu-SSZ-13用于NH3选择性还原NOx综合实验设计。实验采用液相离子交换法得到三种不同Cu负载量的Cux-SSZ-13催化剂,并对其进行了物理表征和催化活性评价。实验结果表明,不同Cu负载的催化剂均具有较高的结晶度,且分子筛载体结构变化不大;Cu3.9-SSZ-13催化剂在200~500℃范围内NOx转化率均高于90%,N2选择性高于98.5%,催化剂活性最优。该实验将技术研究热点与教学实践环节相结合,有助于培养学生的综合实验技能和科研素养。

贵金属中毒对Cu-SSZ-13分子筛NH_(3)-SCR性能的影响

柴油车排放的氮氧化物(NO_(x))对我国大气污染具有重要贡献。NH_(3)选择性催化还原NO_(x)(NH_(3)-SCR)是目前柴油车广泛采用的NO_(x)净化技术,而Cu-SSZ-13催化剂由于兼具优异的NH_(3)-SCR活性和水热稳定性而被用于国六柴油车NO_(x)排放控制。在柴油车后处理系统中,氧化催化剂的贵金属迁移会造成Cu-SSZ-13催化剂中毒,进而影响其活性和选择性等性能。本研究系统考察了不同贵金属种类和富集浓度对Cu-SSZ-13催化剂性能的影响,以及水热老化对贵金属中毒的再生作用。当贵金属中毒达到一定程度时,Cu-SSZ-13的催化性能(尤其是高温活性)会受到较大影响;水热老化会一定程度恢复贵金属中毒催化剂的NO_(x)净化性能,但可以促进副产物N2O的生成;贵金属Pt和Pd对Cu-SSZ-13活性影响程度和中毒机制相似。XRD(X射线衍射)、N2物理吸附表征结果表明,贵金属对Cu-SSZ-13的结构影响不大,但会轻微降低催化剂的比表面积和孔容;通过NH_(3)氧化和NO氧化实验可知,贵金属会促进副反应的发生,额外消耗NH_(3)-SCR体系中的还原剂NH_(3),从而降低Cu-SSZ-13的NO_(x)净化性能。本研究有助于理解贵金属对Cu-SSZ-13催化剂的中毒作用及其机制。

不同水热老化条件对Cu-SSZ-13分子筛催化剂理化特性的影响

使用催化剂小样老化装置对Cu-SSZ-13催化剂样品进行不同条件的水热老化处理,利用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、N2吸脱附、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等表征测试评价了水热老化处理中温度和水含量对于催化剂的晶体结构、气体吸附特性等理化的影响。结果表明,随水热老化温度的升高,由于表面分子筛结构出现坍塌,造成菱沸石(CHA)特征峰峰强降低,比表面积、孔容减小,总的NH3脱附量降低,表面Cu^(2+)比例增加。在5%水蒸气体积分数下,水热老化会在一定程度上破坏分子筛结构的完整性,造成比表面积的减小和CuO比例的升高;在10%及更高水蒸气体积分数下水热处理后,比表面积劣化减弱,表面Cu^(2+)比例增加。

由新型铜胺络合物模板剂设计合成活性优异的Cu-SSZ-13分子筛

以低廉的铜胺络合物为新型模板剂, 成功地合成了含铜的 SSZ-13 沸石分子筛 (Cu-ZJM-1). 在合成过程中, 铜胺络合物既是模板分子, 又是催化活性组分铜物种的直接来源. 理论计算表明, 该模板分子的构型与尺寸恰好与构成 SSZ-13 分子筛结构的 CHA 笼相匹配, 因而可以成功地导向该沸石分子筛结构. 采用 X 射线衍射、扫描电镜、氮气吸附、红外、紫外-可见吸收光谱、差热-热重分析、氨气程序升温脱附及氢气程序升温还原等手段对样品的性质及模板分子的状态进行了系统表征. 结果表明, 所制 Cu-ZJM-1 样品为结晶度很高的 SSZ-13 沸石结构, 硅铝比和铜负载量可调且铜处于高分散状态, 在 NH3 选择催化还原氮氧化物反应中表现出优异的催化性能.

微波辐射法制备Cu-SSZ-13催化剂及其对柴油车尾气NO_x的脱除

采用微波辐射法和传统水热法分别制备了Cu-SSZ-13催化剂,用于柴油车尾气NOx的脱除.用X射线衍射(XRD)、N2物理吸脱附、H2程序升温还原(H2-TPR)、电子顺磁共振(EPR)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)及X射线光电子能谱(XPS)等方法对样品进行表征.结果表明,微波辐射法大大缩短了SSZ-13分子筛的晶化时间,晶化9 h制得样品的结晶度与传统水热法晶化72 h制得样品的结晶度相近,同时孔结构参数也得到了一定程度的改善,微波辐射法制备样品的Br?nsted(B)酸性位和Lewis(L)酸性位增多,活性组分铜的负载量也得到显著的提高,使得微波辐射法制备的催化剂呈现出优异的低温活性和水热稳定性.

焙烧程序对一步合成Cu-SSZ-13催化剂NH_3-SCR性能的影响

焙烧程序影响一步合成法制备Cu-SSZ-13催化剂中Cu物种的种类及分布,是影响催化剂在NH_3选择性催化还原(NH_3-SCR)氮氧化物反应中催化性能的重要因素。为研究焙烧程序对该方法制备Cu-SSZ-13催化剂性能的影响,采用不同的焙烧温度及升温速率制备Cu-SSZ-13催化剂,并考察各催化剂的催化活性、水热稳定性及活性物种形态。结果表明焙烧温度不改变催化剂的晶型结构,但影响催化剂的活性物种形态及稳定性。当焙烧温度为600℃时,催化剂中Cu物种全部为孤立的Cu^(2+),并具有极高的稳定性,催化剂具有最佳的活性及水热稳定性。固定焙烧温度为600℃,随升温速率的提高,催化剂活性及水热稳定性表现出下降趋势,考虑经济成本,最佳的升温速率应为1℃/min。因此,以1℃/min的升温速率升至600℃焙烧6h是一步合成法制备Cu-SSZ-13催化剂的最佳焙烧程序,所得催化剂具备优异的NH_3-SCR活性和水热稳定性。

Cu-SSZ-13的合成与金属改性及催化MTO性能

以低廉的铜氨络合物(Cu-TEPA)为模板剂,通过原位水热合成法制备了Cu-SSZ-13。考察了两种铜盐和氢氧化钠用量对Cu-SSZ-13的晶相结构和形貌的影响,测试了两种铜盐制备的Cu-SSZ-13和金属改性的Cu-SSZ-13在甲醇制烯烃(MTO)中的催化性能。用XRF、XRD、SEM、N2等温吸附脱附(BET)和NH3程序升温脱附(NH3-TPD)对催化剂进行了表征。结果表明:碱度对Cu-SSZ-13的结晶度有很大影响,较高或较低的碱度会导致方沸石杂晶的产生,甚至生成纯相方沸石,n(Na2O)∶n(Al2O3)的较佳值为4.7~5;在MTO反应中,硝酸铜制备的CuSSZ-13的氢转移反应剧烈,反应初期丙烷选择性达到40%,远高于硫酸铜制备的Cu-SSZ-13的丙烷选择性(19%),因此,在抑制副反应发生上,Cu-SSZ-13/Cu SO4要优于Cu-SSZ-13/Cu(NO3)2。锰改性的Cu-SSZ-13明显提高了抗积炭失活能力,在反应温度440℃、质量空速(WHSV)5 h-1条件下,催化寿命从未改性的30 min延长到了65 min。

Cu-SSZ-13分子筛的制备及应用进展

综述了液相离子交换法、固态离子交换法、微波辐射合成法、原位合成法在Cu-SSZ-13分子筛制备中的研究进展,评价了它们的优缺点,指出无有机模版法、无溶剂法的绿色合成路线将成为以后研究的热点;主要总结了Cu-SSZ-13分子筛在甲烷直接氧化制甲醇、甲醇制烯烃(MTO)、柴油车尾气NOx脱除以及CO2吸附分离中的应用进展,指出铜的反应机理及活性位点、酸改性、负载金属之间的协同作用机理是未来的主要研究方向。

镧改性Cu-SSZ-13分子筛用于氨选择性催化还原催化剂研究

采用一步法制备出Cu-SSZ-13分子筛,然后用不同浓度的硝酸镧溶液对制备的分子筛进行离子改性,通过X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR),H2程序升温还原(H2-TPR)、原位漫反射红外光谱(DRIFTS)等方法对催化剂进行表征,并评价其对氨选择性催化还原(NH3-SCR)过程的催化性能。结果表明:La0.015-Cu-SSZ-13催化剂的性能较Cu-SSZ-13有明显提高,其在175~450℃范围的NO转化率达到90%以上,具有较好的N2选择性;La改性Cu-SSZ-13的催化反应机理与Cu-SSZ-13类似,是通过表面氨物种和硝酸盐物种生成硝酸铵这一中间物种,然后硝酸铵被NO还原生成N2和H2O。

钛掺杂原位制备Cu-SSZ-13及其脱硝性能的研究

柴油车尾气排放的NOx(NO和NO2)严重污染环境和危害人类的健康。SSZ-13分子筛由于具有较宽的脱硝温度窗口及优异的水热稳定性受到广泛关注。利用Ti Cl4溶液对原位水热法合成的Cu-SSZ-13催化剂进行离子交换,并通过XRD、H2-TPR、NH3-TPD、氮吸附等对其进行表征,考察了离子交换浓度、时间及温度对催化剂催化性能的影响,并在此基础上优化最佳的交换条件。结果表明,随着钛负载量的增加,高温活性呈增强的趋势,并且经过高温水热处理后,钛可以在一定程度上保持催化剂的骨架结构。

Cu-SSZ-13与Fe-β混合催化剂上NH_(3)-SCR性能研究

铜改性SSZ-13分子筛(Cu-SSZ-13)是一种高效的去除NO_(x)的NH_(3)选择性还原催化剂,但是Cu-SSZ-13的高温(>400℃)脱硝活性欠佳。相比Cu-SSZ-13,铁改性β分子筛催化剂(Fe-β)价格便宜且高温脱硝性能较好,因而Fe-β也备受人们关注。虽然掺杂铜后,Fe-β催化剂的低温活性有所提高,但是其对NO_(x)脱除的低温活性温度窗口还有待拓宽,最高脱除率还有待提高。本工作拟通过Cu-SSZ-13与Fe-β的机械混合制得复合催化剂,以拓展催化剂的温度窗口。在商用SSZ-13的基础上,通过离子交换不同浓度的硝酸铜溶液制备了Cu-SSZ-13。氨气选择性催化还原(Ammonia selective catalytic reduction,NH_(3)-SCR)测试表明交换液为0.04 mol/L的硝酸铜溶液时所制备的Cu-SSZ-13的脱硝活性最好,200~400℃NO_(x)脱除率接近100%。利用粉末X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)等一系列手段对催化剂进行了表征。结果表明:机械混合Cu-SSZ-13+Fe-β对Cu-SSZ-13的NH_(3)-SCR低温活性窗口影响不大,但对其高温脱硝性能有较大提高。

整体式堇青石负载的Cu-SSZ-13分子筛催化剂的制备及其氨选择性催化还原脱硝性能

以聚乙烯醇(PVA)或拟薄水铝石(SB粉)为涂覆助剂,采用超声波辅助分散法将Cu-SSZ-13分子筛涂覆于蜂窝状堇青石(Cordierite)上,制备了整体式堇青石负载的Cu-SSZ-13分子筛催化剂(Cu-SSZ-13/Cordierite),用于氨选择性催化还原(NH3-SCR)脱硝,并结合XRD、氮气吸附、SEM及H2-TPR等表征手段,研究了涂覆助剂对该催化剂的Cu-SSZ-13涂层稳定性、NH3-SCR脱硝活性、水热稳定性和抗SO2毒化能力的影响。结果表明,以PVA为涂覆助剂制备的整体式Cu-SSZ-13(PVA)/Cordierite催化剂,其Cu-SSZ-13涂层稳定、脱落率低,选择性催化还原脱硝活性与Cu-SSZ-13原粉基本相当;同时,该Cu-SSZ-13(PVA)/Cordierite催化剂也具有较好的耐高温水热稳定性和抗硫中毒能力,在移动源和固定源脱硝方面有较好应用前景。

一步水热合成Cu-SSZ-13分子筛选择性催化C_(3)H_(6)还原NO

采用铜胺配合物(Cu^(2+)-四乙烯五胺,Cu-TEPA)作为结构导向剂,通过一步水热法合成不同铜铝比(n_(Cu)/n_(Al))和硅铝比(n_(Si)/n_(Al))的Cu-SSZ-13分子筛催化剂,研究其在贫燃条件下丙烯选择性催化还原NO(C_(3)H_(6)-SCR)的性能。当n_(Cu)/n_(Al)=2、n_(Si)/n_(Al)=6时2.0Cu-SSZ-13(6)催化剂具有最好的低温脱硝活性,200℃时NO转化率超过80%,在250~300℃可实现100%脱硝效率和~100%N_(2)选择性,同时具有较强的抗水、抗硫性能。为研究不同n_(Cu)/n_(Al)和n_(Si)/n_(Al)对催化剂物理化学特性的影响,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、N_(2)吸附-脱附测试、H_(2)程序升温还原(H_(2)-TPR)、氨气程序升温脱附(NH_(3)-TPD)、紫外可见光谱(UV-Vis)等手段对样品进行表征。结果表明,2.0Cu-SSZ-13(6)具有最佳的脱硝性能,这是因为其具有最大的比表面积、最强的表面酸性和分布最多的孤立态Cu^(2+)离子。Cu-SSZ-13上丰富的酸性位可以有效促进C_(3)H_(6)和NO的吸附和活化,SSZ-13分子筛八元环中孤立的Cu^(2+)离子具有良好的氧化还原性能,是C_(3)H_(6)-SCR反应的主要活性位。随着n_(Cu)/n_(Al)的增加,孤立的Cu^(2+)离子会在分子筛表面迁移、集聚形成CuO物种,从而导致C_(3)H_(6)-SCR活性下降。

制备条件对Cu-SSZ-13分子筛的形貌及其氨选择性催化还原脱硝性能的影响

采用传统水热法合成SSZ-13分子筛,铜离子交换法制备Cu-SSZ-13分子筛催化剂,用于氨选择性催化还原(NH_(3)-SCR)脱硝,研究了有机模板剂(OSDA)用量、硅源、铝源、水硅比、硅铝比以及老化时间等制备参数对Cu-SSZ-13分子筛形貌、晶粒大小、酸性、Cu^(2+)位点以及NH_(3)-SCR催化性能的影响。结果表明,在一定范围内,SSZ-13分子筛的硅铝比越高,其晶粒越大,所负载的活性铜含量越低,NH_(3)-SCR催化活性也越差。以硅溶胶为硅源、硫酸铝为铝源所合成的SSZ-13分子筛晶粒较小,结晶度最高,所得到的Cu-SSZ-13催化剂的NH_(3)-SCR活性也最好。较高的水硅比所合成的分子筛晶粒较大,而增加模板剂的用量有利于提高SSZ-13分子筛的结晶度,降低其晶粒尺寸。适当延长老化时间,能降低SSZ-13分子筛晶粒尺寸,提升Cu-SSZ-13的NH_(3)-SCR催化活性。其中,Si/Al比为10、硅溶胶为硅源、硫酸铝为铝源、OSDA/Si比为0.4、水硅比为88、老化2 h得到的Cu-SZ-A10催化剂最优,在240000 h^(−1)的高空速下,200℃时NO转化率达60%,且在中高温区NO转化率保持为100%。该工作对SSZ-13分子筛形貌的调控以及高性能NH_(3)-SCR脱硝催化剂的制备具有重要的参考价值。

Cu-SSZ-13分子筛对甲醇转化制烯烃反应的性能

以四乙烯五胺与硫酸铜的络合物为模板剂合成了低硅铝比的Cu-SSZ-13分子筛，对其进行了XRF、XRD、SEM、FTIR和N2脱附-吸附表征，考察了Cu-SSZ-13分子筛对甲醇转化制烯烃（MTO）反应的催化性能，并对Cu-SSZ-13分子筛的失活原因进行了分析。表征结果显示，合成的Cu-SSZ-13分子筛的晶粒尺寸为0．4～5．0gm，硅铝比为3．7。实验结果表明，Cu-SSZ-13分子筛对MTO反应具有较好的活性和烯烃选择性，在开始反应的60min内，甲醇转化率为100％，乙烯和丙烯的选择性最高可达87.3％。对失活的Cu—SSZ一13分子筛进行10次再生处理，再生后的分子筛具有与新鲜分子筛相似的催化活性，Cu-SSZ-13分子筛失活的主要原因是积碳。

Cu-SSZ-13分子筛NH_3-SCR脱硝技术研究

柴油车尾气中的氮氧化物日益危及人类健康和生态环境。Cu-SSZ-13分子筛脱硝催化剂因宽的温度窗口、优异的水热稳定性等性能而受到广泛关注。为了适应更为严格的氮氧化物排放标准,进一步提高Cu-SSZ-13分子筛催化剂的NH_3-SCR反应性能,深入研究Cu-SSZ-13分子筛催化剂物理化学性能及其对NH_3-SCR脱硝反应机理影响十分必要。介绍了近年来Cu-SSZ-13分子筛催化剂及其NH_3-SCR脱硝机理的研究进展。详细论述了Cu-SSZ-13分子筛催化剂在NH_3-SCR反应过程中的活性铜物种及其变化,并对不同Cu-SSZ-13分子筛催化剂的制备方法进行了比较。提出Cu-SSZ-13分子筛催化剂NH_3-SCR脱硝技术研究中SO_2气氛和理论与实验的结合需要进一步研究。

Cu-SSZ-13分子筛的表面改性及其MTO反应性能

以廉价Cu-TEPA为模板剂合成Cu-SSZ-13分子筛,分别采用氯化铵和稀硝酸溶液对Cu-SSZ-13分子筛进行改性,制得几种甲醇制烯烃(MTO)催化剂。采用X射线衍射、X射线荧光分析、电感等离子体耦合质谱、87 K氩吸附、NH 3程序升温脱附和H 2程序升温还原等对催化剂结构进行表征,在微型固定床反应器中评价其MTO反应性能。结果表明,采用氯化铵溶液和稀硝酸溶液交换结合会降低催化剂中CuO及方沸石杂晶含量;使Cu-SSZ-13分子筛同时降低Na及Cu元素含量,获得更大的比表面积和适宜的酸强度及酸量,在MTO反应中有更长的催化寿命和更高的低碳烯烃选择性;Cu-SSZ-13分子筛的改性方式、比表面积、表面酸量、表面Cu的分布状态与催化性能密切相关。

原位合成Cu-SSZ-13催化剂:硅铝比对NH_3-SCR催化性能的影响

通过一步法原位合成Cu-SSZ-13催化剂,评价不同硅铝比对其NH_3-SCR催化性能的影响,通过H_2-TPR、XRD和Rietveld精修表征催化剂。结果表明,不同硅铝比影响SSZ-13分子筛中活性Cu物种含量和分布。硅铝物质的量比为10时得到的Cu-SSZ-13催化剂具有优异的NH_3-SCR反应活性和稳定性,活性温度窗口最宽。

Cu-SSZ-13/堇青石整体式催化剂的原位合成及其NH_3选择性催化还原NO性能

采用水热合成技术,在堇青石蜂窝陶瓷载体上原位合成了SSZ-13分子筛,并借助X射线衍射(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)等手段对其进行表征.在此基础上,研究了合成时间对催化剂结构和机械性能的影响.另外,使用固定床反应器测试了离子交换度为50%的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂和Cu-SSZ-13催化剂水热老化前后的氨气选择性催化还原(NH_3-SCR)NO性能.结果表明,通过原位合成法制备的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂在200-500°C的窗口温度内能达到80%以上的转化率,并在300°C时达到96.4%的转化率.在850°C水热老化12 h后,Cu-SSZ-13催化剂完全丧失了催化性能,而Cu-SSZ-13/堇青石催化剂在300°C时仍然保持91%的转化率.使用XRD和固体27Al核磁共振(^(27)Al NMR)的方法,研究了水热老化前后两种催化剂结构的变化,结果表明,当水热老化12 h后,Cu-SSZ-13基本丧失了SSZ-13结构特征峰,而Cu-SSZ-13/堇青石仍然保持了一定的SSZ-13骨架结构.证明了通过原位合成法制备的Cu-SSZ-13/堇青石催化剂具有较好的抗水热老化性能.