活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　在使用乙烯的情況下，研究了在小于或等于200°C的溫度下選擇性催化還原氮氧化物的方法。作為負載在活性炭上的鐵和錳的還原劑和混合氧化物，將它們的活性與分別負載在活性炭上的錳氧化物和鐵氧化物的活性進行了比較。然后使用本體和表面敏感技術對新鮮制備和經過反應測試的催化劑進行分析，以確定與它們的活性和失活有關的結構和化學方面。

　　臺架規模的催化活性測試

　　催化測試的實驗裝置如圖1所示。將每種活性炭樣品放入固定床石英管反應器中，該反應器由溫控爐外部加熱。氣體流速通過質量流控制器控制，與模擬氣體混合物調節至500ppm NO，500ppm的乙烯，3.0%(體積)Ò 2和N 2為平衡流量，總流量為1500 ml/min。在每個測試的催化劑溫度達到穩定的設定點之后，將氣體混合物注入反應器中。進出氣中NO和NO X的濃度用煙氣分析儀分析。下標的進和出分別指示入口和出口的濃度。

　　圖1：工作臺規模的示意圖。

　　催化性能

　　使用活性炭載錳氧化物催化劑時，不同溫度下NO轉化率數據與時間的關系如圖2所示。它用于提供可以與以前發布的數據進行比較的基線數據。在所有溫度(150°C，180°C和200°C)的前20分鐘內，幾乎有100%的NO轉化發生，但在此初始階段后NO轉化迅速下降，并且在2小時的測試后，轉化率不足20%。活性的溫度依從性依次為150°C>180°C>200°C。

　　圖2：使用乙烯還原劑的活性炭載錳氧化物的催化性能。

　　活性炭載鐵氧化物在150°C下的NO轉換測試數據如圖3所示。與圖2中的活性炭載錳氧化物數據相似，NO轉化在15–20分鐘后急劇下降。經過約80分鐘的測試，它的水平接近20%，類似于活性炭載錳氧化物的數據。鐵的濃度對總的NO轉化率沒有顯著影響。總之，在活性炭上，錳氧化物或鐵氧化物的單金屬氧化物最初具有較高的NO轉化率，然后從反應測試開始僅15–20分鐘后，其活性迅速下降。

　　圖3：使用乙烯作為還原劑的活性炭載鐵氧化物的催化性能。

　　活性成分分散

　　通過SEM和SEM-EDS研究了催化劑的表面形態，以檢查錳氧化物和鐵氧化物種類的分散變化是否與快速轉化率下降或維持有關。經HNO 3處理的活性炭(即不含金屬氧化物的活性炭)以及新鮮制備的活性炭載鐵錳氧化物的SEM圖像(圖4)顯示，由于摻入了Fe和Mn氧化物，多孔結構易見且無明顯變化。活性炭和含金屬氧化物的催化劑的表面積和孔體積彼此非常相似，保持多孔結構對于分散活性物質或保持有效的途徑以使反應物和產物進出活性位點可能是有益的。但是，單金屬活性炭載錳氧化物的表面積和孔隙率在反應測試前后也沒有顯著變化，盡管在測試15-20分鐘后其NO轉化活性迅速下降。因此，催化劑的表面積和孔隙率不能控制這些催化劑的NO轉化率，這與先前的研究一致，即負載型錳氧化物催化劑的表面積并不是反應過程中催化活性變化的主要原因。

　　圖4：活性炭和新鮮的活性炭載鐵錳氧化物的SEM圖像。

　　活性炭內鐵和錳氧化物之間的相互作用

　　來自活性炭載鐵錳氧化物的XRD數據顯示在圖5中，其中已鑒定出主要峰。在2θ=24°和2θ=43°處的寬峰(標記為A)與無定形碳的峰一致。它們的位置和寬度在新鮮和經過測試的催化劑中都相同，這表明活性炭無定形結構的穩定性。在新鮮催化劑和測試催化劑中，在2θ=33.5°，2θ=35.1°和2θ=54.3°處分別出現了另外三個峰(分別標記為B，C和D)，并且位置或峰強度沒有明顯變化作為反應測試的結果。2θ=33.5°(峰標記為B)處的峰歸因于Fe 2 O 3 和在2θ=35.1°和54.3°的峰歸因于Fe 3 Mn 3 O 8，盡管在新鮮和測試的催化劑中這些與鐵有關的峰的強度和寬度相同，但是由于XRD峰較弱，因此很難確定在測試過程中鐵和錳的結晶度是否發生了變化。然而，結合的鐵氧化物與錳氧化物確實原因形成Fe 3的Mn 3 ö 8固體溶液，其可在的活性炭載鐵錳氧化物催化劑的NO轉化。

　　圖5： 反應測試前后活性炭催化劑的XRD光譜。

　　研究表明使用浸漬在活性炭上的鐵和錳混合氧化物可以顯著提高催化活性和活性維持，以乙烯分解NO。與溫度低于200°C或200°C時負載在活性炭上的鐵氧化物和錳氧化物的單氧化物相比，它作為還原劑。通過表面和本體分析技術從制備的催化劑和經過反應測試的催化劑中獲取數據來尋找這些差異的原因。隨著鐵氧化物和錳氧化物濃度的增加，負載型單氧化物或混合金屬氧化物催化劑的總表面積，孔隙率和孔體積沒有變化，并且在制備和測試的催化劑之間沒有差異。XRD數據表明，鐵在混合金屬氧化物催化劑的合成過程中形成了Fe3 Mn 3 O 8，并且在反應測試的活性炭混合金屬氧化物催化劑中也鑒定出該化合物。總體而言，該研究支持在低溫應用中合成活性和穩定的活性炭催化劑的潛力。

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