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原文传递 Au/CeO2协同Cu--SSZ--13催化剂脱除柴油机NOx排放的试验研究

论文题名：	Au/CeO2协同Cu--SSZ--13催化剂脱除柴油机NOx排放的试验研究
关键词：	汽车柴油机;催化剂;水煤气变换反应;选择性催化还原反应;氮氧化物;排放特征
摘要：	柴油车NOx排放不仅严重威胁人类身体健康，而且对生态环境造成了严重的危害。目前选择性催化剂还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术是有效脱除NOx的方法之一，该技术常用的还原剂为NH3。H2作为良好的还原性气体，其性能优于NH3，能够很好地还原柴油车尾气中的NOx排放。柴油车尾气中含有CO和H2O，具备发生水煤气变换反应（Water Gas Shift Reaction，WGSR）产生H2的条件。所以，在柴油机后处理催化领域，可以利用水煤气变换反应来降低CO排放，生成的H2作为还原剂结合NH3-SCR技术脱除NOx排放，达到高效快速脱除NOx和节约NH3的目的。　　为了研究WGSR催化剂协同SCR催化剂脱除NOx的影响，本文分别采用沉积沉淀法和离子交换法制备了不同Au负载量的Au/CeO2催化剂和不同Cu源的Cu-SSZ-13催化剂，并利用综合表征技术研究了催化剂的理化性能。利用固定床反应器分别评价了Au/CeO2和Cu-SSZ-13催化剂的活性，筛选出性能优异的催化剂进行耦合试验，探究Au/CeO2协同Cu-SSZ-13催化剂脱除柴油机NOx排放的影响。主要工作和结论如下：　　（1）采用沉积沉淀法制备了不同Au负载量的x%Au/CeO2催化剂（x=0,1,3,5，x为质量分数），利用固定床反应器评价了催化剂的活性，研究了Au负载量、H2O含量和O2对催化剂活性的影响，并通过比表面积（Brunauer-Emmett-Teller，BET）、X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）、H2程序升温还原（H2TemperatureProgrammed Reduction，H2-TPR）、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）和热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）等表征分析了催化剂的比表面积、晶相结构、还原性能和表面元素价态。结果表明：Au元素负载后，催化剂的活性明显提高。Au与CeO2载体间的产生了较强的相互作用，Au元素的存在削弱了Ce-O键的结合能，从而促进了晶格氧的流动，进而提高了催化剂的活性；当Au负载量为3%时，催化剂的活性较高，CO转化率可以达到85%。当H2O含量在5%~10%之间时有利于提高催化剂的反应活性，增加CO的转化率；过高的H2O含量会占据催化剂的反应活性位，导致有效活性点位数量下降，进而影响催化剂的活性。　　（2）采用离子交换法制备了不同Cu源（硝酸铜、硫酸铜和乙酸铜）的Cu-SSZ-13催化剂，研究了Cu源对催化剂活性的影响、催化剂的抗热水老化和抗HC中毒性能，并通过XRD、BET、电感耦合等离子体发射光谱（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectr，ICP-OES）、XPS、H2-TPR、氨气程序升温脱附（NH3Temperature ProgrammedDesorption，NH3-TPD）和NO+O2程序升温脱附（NO+O2Temperature ProgrammedDesorption，NO+O2-TPD）等表征分析了催化剂的晶相结构、比表面积、表面元素价态、还原性能、NH3吸附性能和NOx吸附性能。结果表明：利用有机Cu源（乙酸铜）制备的Cu(A)-SSZ-13催化剂具有更好的低温活性，NOx转化率在90%以上的活性窗口T90为175~575℃，N2选择性也较好。此外，Cu(A)-SSZ-13催化剂具有良好的NH3吸附稳定性，能够有效防止NH3泄漏，避免造成二次污染。催化剂经过水热老化（650℃，10%H2O）处理后，当反应温度在100~175℃时，NOx转化率下降5%左右，而反应温度超过175℃时，NOx转化率基本不变，其T90为175~575℃；水热老化没有破坏催化剂的CHA结构，所以经过水热老化处理后的催化剂能够保持较高的NH3-SCR活性。催化剂具有良好的抗HC中毒性能，在反应进料中添加500×10-6v/v C3H6，Cu(A)-SSZ-13催化剂活性仅下降了3%。　　（3）通过活性测试筛选出性能优异的3%Au/CeO2和Cu(A)-SSZ-13催化剂进行耦合试验，研究了温度、H2O含量和NH3浓度对Au/CeO2催化剂协同Cu-SSZ-13催化剂脱除NOx的影响。结果表明：催化剂耦合提高了低温下NOx的转化效率，当反应温度为100和150℃时，催化剂耦合试验中NOx转化效率较SCR反应的NOx转化效率分别提高了3.8%和7.9%。催化剂耦合试验中出口处N2O的浓度始终低于1×10-6v/v，水煤气变换反应产生的H2还原了N2O，很好地降低了副产物N2O的排放。当反应温度为150℃时，H2O含量为9%时，NOx转化率达到最大值为68.3%，与Cu(A)-SSZ-13催化剂上的NH3-SCR反应相比，转化效率提高了10.5%。水煤气变换反应产生的H2还原了部分NOx，但脱除NOx的主要途径是NH3-SCR反应。当反应温度为150℃时，催化剂耦合脱除NOx可以节约100×10-6v/v左右的NH3。
作者：	李凯
专业：	动力工程
导师：	王攀
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文