北京化工大学刘志明课题组最新Chem. Eng. J：Mn-Co强相互作用增强催化剂抗硫性能

一、 【导读】  

NH₃选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）被认为是最有效的脱硝技术之一，商用V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂催化剂在300-400 ^oC可以高效还原NO_x，已在电厂NO_x控制中广泛应用。然而，对于温度低于200 ^oC的非电行业（钢铁、水泥、玻璃）烟气，这种催化剂不再适用。因此，亟需开发低温NH₃-SCR催化剂。锰基催化剂由于具有较高的低温脱硝活性和热稳定性，得到了研究人员的广泛关注。但在含SO₂的气氛中，锰基催化剂容易中毒失活。研究发现制备复合金属氧化物是提高锰基催化剂抗硫性能的有效策略之一，其中Mn-Co复合氧化物具有良好的抗硫性能。然而，Co对Mn基催化剂抗硫性能的增强机制尚不清楚。

二、【成果掠影】

北京化工大学刘志明教授课题组开发了一种多孔球形MnCoO_x脱硝催化剂，与MnO_x催化剂相比，MnCoO_x表现出更高的低温活性和抗SO₂性能。在75-200 ^oC之间，Mn(5)Co(5)O_x达到了85%以上的NO_x转化率。在SO₂存在时，Mn(5)Co(5)O_x的NO_x转化率可以保持在85%以上10小时，且切断SO₂后活性可以恢复。Mn-Co之间的强相互作用体现在：（1）增强了催化剂的氧化还原能力，有利于NO的活化；（2）抑制了MnSO₄的生成，从而了提高了MnCoO_x的抗硫性能。

相关研究工作以“Mechanistic investigation of the enhanced SO₂ resistance of Co-modified MnO_x catalyst for the selective catalytic reduction of NO_x by NH₃”为题发表在国际顶级期刊Chemical Engineering Journal上。

 三、【核心创新点】

1、合成了一种球形多孔MnCoO_x催化剂，具有优异的低温脱硝活性和抗SO₂性能，在50 ppm SO₂中，10小时内均具有85%以上的NO_x转化率，且切断SO₂后活性可恢复。

2、由于Mn和Co的强相互作用，MnCoO_x上形成了更强的Lewis酸性位点，抑制了SO₂的吸附，减少了MnSO₄的形成，从而表现出良好的抗硫性能。

 四、【数据概览】

图1  不同Mn/Co摩尔比的MnO_x、CoO_x和MnCoO_x催化剂的NH₃-SCR活性。  © 2022 Elsevier B.V.

图2  H₂O和SO₂对Mn(5)Co(5)O_x催化剂NH₃-SCR活性的影响。© 2022 Elsevier B.V. （a）125 ^oC，H₂O+SO₂；（b）175 ^oC，H₂O+SO₂；（c）175 ^oC，H₂O/SO₂

图3  MnO_x和Mn(5)Co(5)O_x催化剂上红外峰强度随时间的变化。（a）先吸附NH₃再通入NO/O₂；（b）通入NO/O₂ 60 min后再次切换NH₃  © 2022 Elsevier B.V.

图4  175 ^oC下，NO+SO₂+O₂在MnO_x(a)和Mn(5)Co(5)O_x(b)催化剂上时间分辨的DRIFTS谱图及归一化的NO/SO₂峰强-吸附时间图(c)  © 2022 Elsevier B.V.

五、【成果启示】

本研究中，作者以葡萄糖为造孔剂，尿素为结构导向剂，制备了多孔球形MnCoO_x催化剂。Co的引入帮助构建了Co³⁺ + Mn³⁺↔ Mn⁴⁺ + Co²⁺的氧化还原循环，丰富的表面吸附氧物种有助于将NO氧化为NO₂，从而促进快速SCR反应的发生，最终增强了MnCoO_x的低温脱硝活性。此外，Mn(5)Co(5)O_x催化剂的高抗SO₂性能归因于Mn和Co之间的强相互作用使催化剂表面形成了更强的Lewis酸位点，减少了SO₂的吸附，从而抑制了MnSO₄的形成，使得Mn(5)Co(5)O_x催化剂可以通过Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal机理进行反应。本工作揭示了Co对Mn基催化剂抗硫性能的增强机制，为设计具有优异抗硫性能的Mn基催化剂提供了指导。

原文详情：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139207

本文由希恩斯供稿