Ce–Ti非晶氧化物用于NH3选择性催化还原NOx：确认Ce–O–Ti活性位

氮氧化物（NO_x）是造成酸雨、光化学烟雾和臭氧层破坏的主要污染物，我国“十二五”规划对NO_x排放进行了总量控制。商业化的脱硝技术是以氨（NH3）作为还原剂的选择性催化还原（SCR）法，其关键就是催化剂。前期研究表明非晶型的催化剂多表现出较高的催化活性，且一些晶态催化剂的工作部分也呈现出非晶形态，但活性位仍没有得到完全证实。济南大学化学化工学院的一个研究组设计制备了非晶形态的Ce–Ti复合氧化物，对其NH3-SCR催化活性、结构及活性位进行了深入研究，发现Ce–Ti非晶复合氧化物的活性位为Ce–O–Ti短程有序结构，相关研究成果发表在2012年8月13日的《Environmental Science & Technology》上。

该研究组发现利用简单的共沉淀法，通过调变Ce/Ti摩尔比可以得到非晶形态的Ce–Ti复合氧化物，其中，Ce0.3TiO_x（Ce/Ti摩尔比为0.3）在温度区间175–400 ℃内NO_x的转化率在90 %以上，N2选择性在95 %以上。该非晶样品低温时催化活性要远高于相应成分的晶态样品，且样品中出现CeO2晶粒对催化活性是不利的。H2–程序升温还原（H2–TPR）、原位NO吸附IR谱和X射线光电子能谱（XPS）结果表明Ce与Ti之间存在协同作用，进一步的X射线吸收精细结构谱（XAFS）确认了Ce–O–Ti短程有序结构，并被场发射透射电子显微镜（FETEM）直接观测到。

利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站实验证明了Ce–Ti非晶复合氧化物中没有Ce–O–Ce结构，即排除了Ce0.3TiO_x的活性是由非晶CeO2引起的可能，同时Ti–O–Ti结构（TiO2）对SCR的活性贡献不大，由此，证明了Ce–Ti非晶复合氧化物用于NH3-SCR反应的活性位是短程有序的Ce–O–Ti结构。国际权威科技媒体（美国）VerticalNews以“来自济南大学的研究揭示了环境科学与工程的新发现”为题进行了专门报道（2012年9月28日）。（http://www.verticalnews.com/premium_newsletters/Chemicals-and-Chemistry/2012-09-28/3133CH.html）

该工作为非晶催化剂反应机理的研究和设计、制备中低温活性高的脱硝催化剂提供了科学的线索。在这项研究工作中，北京同步辐射实验室的XAFS站帮助该研究组揭示了Ce–Ti非晶复合氧化物的活性位。济南大学化学化工学院教授、该研究组组长张昭良教授这样描述他们的工作：“由于非晶氧化物的短程有序结构是氧化还原反应的最小单位，该工作报道了氧化物催化剂类拟于金属催化剂中的单原子催化现象。而不同元素所构成的非晶催化体系必然存在差异，因此仍需对不同非晶体系的活性位进行解析，以期得到普适性的规律，XAFS必定是一个强有力的实验手段”。

发表文章：

Ping Li, Ying Xin,Qian Li, Zhongpeng Wang, Zhaoliang Zhang*, Lirong Zheng, Ce–Ti amorphous oxides for selective catalytic reduction of NO with NH3: Confirmation of Ce–O–Ti active sites. Environmental Science & Technology, 46, 9600-9605, 2012.