氮氧化物(NOx)是一類重要的大氣污染物，可以引發(fā)酸雨、灰霾、光化學(xué)煙霧等一系列大氣污染問題，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康。人類活動(dòng)產(chǎn)生的NOx主要來源于燃煤電廠等固定源和柴油車等移動(dòng)源的燃燒排放。氨選擇性催化還原氮氧化物(NH3-SCR)是去除固定源和移動(dòng)源NOx的主流技術(shù)，最為經(jīng)典的NH3-SCR催化劑體系是釩基催化劑。雖然高釩負(fù)載量可以提高釩基催化劑的低溫活性，但是高釩催化劑具有較強(qiáng)的催化SO2轉(zhuǎn)化為SO3活性，且釩氧化物具有生物毒性，因此開發(fā)低釩負(fù)載量、且具有優(yōu)異低溫活性的新型釩基催化劑是目前NH3-SCR技術(shù)應(yīng)用的迫切需求。

釩基催化劑上釩物種的存在形式主要包括單體釩氧物種、低聚合態(tài)釩氧物種，以及結(jié)晶態(tài)V2O5。一般認(rèn)為表面分散的釩物種(單體和低聚合態(tài))是NH3-SCR反應(yīng)的活性位點(diǎn)，因此表面分散物種受到廣泛的關(guān)注和研究。在低比表面積或者高負(fù)載量的釩基催化劑上會(huì)存在結(jié)晶態(tài)V2O5，但是迄今為止并沒有太多針對(duì)結(jié)晶態(tài)釩物種的研究，也并不清楚其在NH3-SCR反應(yīng)中的作用。深入研究結(jié)晶態(tài)釩物種有助于更好地理解釩基催化劑，進(jìn)一步指導(dǎo)高效釩基催化劑的開發(fā)。

近日，賀泓院士團(tuán)隊(duì)(中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、生態(tài)環(huán)境研究中心)和李劍鋒團(tuán)隊(duì)(廈門大學(xué))在釩基催化劑應(yīng)用于NH3-SCR研究方面取得重要進(jìn)展。通過對(duì)TiO2載體進(jìn)行高溫預(yù)處理然后再負(fù)載釩，可以在低釩負(fù)載量催化劑上形成結(jié)晶態(tài)V2O5。令人驚訝的是，含有大量結(jié)晶態(tài)V2O5的催化劑，比具有相同釩負(fù)載量但是釩物種表面分散的催化劑，顯示出更為優(yōu)異的低溫NH3-SCR活性。通過原位拉曼表征手段研究了真實(shí)反應(yīng)條件下釩基催化劑上釩物種的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在NH3吸附條件下，低釩催化劑上結(jié)晶態(tài)V2O5能夠擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為高活性低聚合態(tài)釩氧物種。DFT理論計(jì)算表明NH3在低聚合態(tài)釩物種和結(jié)晶態(tài)V2O5上的吸附能不同，因此NH3的存在促進(jìn)了結(jié)晶態(tài)物種的轉(zhuǎn)變。低釩催化劑上結(jié)晶態(tài)V2O5在NH3-SCR反應(yīng)中原位轉(zhuǎn)化為高活性反應(yīng)物種，顯著提高了低溫催化性能。本研究的結(jié)論對(duì)理解釩基金屬氧化物催化劑的構(gòu)效關(guān)系及高效NH3-SCR催化劑的設(shè)計(jì)開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

這一成果以Adsorption-Induced Active Vanadium Species Facilitate Excellent Performance in Low-Temperature Catalytic NOxAbatement近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所副研究員連志華。

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的支持。

(關(guān)鍵字：中科院 釩基催化劑)