具有高热稳定性短程有序W-O-Fe结构活性位的SCR催化剂

　　氮氧化物（NOx）是主要的大气污染物之一，它会引起酸雨、光化学烟雾、大气臭氧浓度升高、雾霾等环境问题，并对人类健康产生极大危害。氨选择性催化还原（NH3-SCR）是公认最有效NOx去除技术，但目前商业化NH3-SCR催化剂V2O5-WO3/TiO2中的活性组分钒具有毒性，且活性温度窗口狭窄，高温时不稳定等缺点严重制约了其广泛应用。开发新型、高效、高热稳定的SCR催化剂对于NOx污染治理具有十分重要的意义。济南大学化学化工学院的一个研究组设计制备了具有短程有序W-O-Fe结构的WaFeOx复合氧化物催化剂，对其NH3-SCR催化活性、结构及活性位进行了深入研究，发现短程有序W-O-Fe结构是WaFeOx复合氧化物催化剂的活性位，且经800 oC高温处理后，W-O-Fe 结构仍在结晶相的表面存在，从而保证了催化活性，相关成果发表在2018年2月9日的《Applied Catalysis B: Environmental》上。 

　　该研究组发现利用简单的共沉淀法得到结晶较差的WaFeOx复合氧化物催化剂，其中，W0.13FeOx（W的含量为0.13 wt.%）的表观SCR活性和内在活性（反应速率）高于其他样品。利用X射线吸收精细结构谱（XAFS）、氢气程序升温还原（H2-TPR）、氨程序升温脱附（NH3-TPD）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等表征结果显示WaFeOx复合氧化物催化剂的内在活性、短程有序W-O-Fe结构的量以及催化剂的酸量呈正相关，说明具有高热稳定性的短程有序W-O-Fe结构是催化活性位，通过提高催化剂的酸量来提高内在活性。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）上的XAFS实验证明了WaFeOx中存在大量短程有序W-O-Fe结构，且其数量与催化剂的内在活性呈正相关，排除了Fe2O3、Fe2WO6微晶或Fe2O3和Fe2WO6协同作用对SCR活性的促进作用，从而证明短程有序W-O-Fe结构是催化剂的活性位。 

　　该工作为SCR催化剂构效关系的研究和设计、制备具有高热稳定性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WaFeOx复合氧化物催化剂的短程有序活性位。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：“我们的前期工作（Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 9600-9605. 2012 Highlights, BSRF和ESI高被引论文）证实复合氧化物中的短程有序结构可作为SCR催化剂的活性位，但由于其常处于亚稳态，极易受到高温影响而失活，严重制约了高效非晶催化剂在SCR技术中的应用。该工作报道了具有高热稳定性的短程有序W-O-Fe结构活性位，有望解决非晶催化剂实际应用中对恶劣运行条件耐受性差的问题。这一研究结果是继2012年我们在XAFS实验站（BSRF）证实Ce-O-Ti短程有序活性位后，在Fe基复合氧化物中确定了短程有序W-O-Fe结构活性位的存在，并进一步证明了短程有序活性位在非晶复合氧化物SCR催化剂中具有普适性。由此，对于复杂非晶复合氧化物催化剂中活性位及构效关系的研究，XAFS是一个强有力的实验手段”。 

发表文章： 

　　Ying Xin, Nana Zhang, Qian Li, Zhaoliang Zhang,* Xiaoming Cao,* P. Hu, Lirong Zheng, Yuewu Zeng, and James A. Anderson*. Selective catalytic reduction of NOx with NH3 over short-range ordered W-O-Fe structures with high thermal stability. Applied Catalysis B: Environmental 229 (2018) 81-87.