氧化鈰觸媒的硫化前處理及氨氣選擇性脫硝還原反應

Abstract

"工廠與汽車所排放的氮氧化物(Nitrogen oxide, NOx)造成非常嚴重的環境汙染，如酸雨、光化學霧霾以及PM2.5，選擇性觸媒還原(selectivity catalytic reduction, SCR)反應通常被應用在脫除氮氧化物，V2O5-WO3/TiO2商業觸媒長久以來已經被廣泛的應用在SCR反應，然而五氧化二釩被世界衛生組織視為人類潛在的致癌物質，而被分類為group 2B，因此尋找可以替代V2O5-WO3/TiO2觸媒已成為一項急迫的工作。文獻報導指出CeO2由於具有強還原性質與氧儲存能力，因此成為具潛力的替代觸媒，最近研究指出在以在無氧條件(anaerobic)下以SO2硫化處理CeO2可以大幅提升反應活性。 本研究中，我們在無氧條件下以500 ppm SO2/Ar氣體硫化處理CeO2觸媒，改變硫化處理溫度與時間的變因: 在200、300、400與500 oC硫化處理30分鐘，以及在300 oC硫化處理5、15、30與120分鐘，並測試硫化處理後CeO2觸媒於選擇性脫硝還原(SCR)反應的活性，分析硫化處理溫度與時間的變因對硫化物在觸媒表面上形成的影響。我們發現硫化處理溫度200 – 500 oC改善觸媒活性的效果相同；在不同硫化處理時間下，以硫化處理30分鐘，觸媒活性即達到最佳表現，可能原因為CeO2表面的chelating sulfate達到飽和。CeO2主要為路易士酸性位點，而硫化處理後CeO2則為路易士與布羅忍斯特酸性位點，布羅忍斯特酸性位點使NH3吸附量大幅提升。在NH3升溫IR實驗中，我們確認表面sulfate為布羅忍斯特酸性位點，而sulfate並不影響原有的路易士酸性位點存在。CeO2上的NH3容易進行H-abstraction而形成N2O與NO等副產物，而硫化處理後CeO2則抑制NH3進行H-abstraction。由於NO吸附位點被sulfate占據，因此硫化處理後CeO2的NO吸附量大幅下降。在in-situ IR實驗中，我們可以得知CeO2上imide species容易與氣相NO反應，而nitrate卻不易與氣相NH3反應；硫化處理後的CeO2上之NH3與NH4+容易與氣相NO進行反應，然而硫化處理後的CeO2的NO吸附量較少，因此我們推測兩者主要皆以Eley-Rideal機制進行反應。 "