ACS ES&T Engineering | 砷在镉中毒V₂O₅/TiO₂脱硝催化剂上的特殊解毒作用

英文原题：Extraordinary Detoxification Effect of Arsenic on the Cadmium-Poisoned V2O5/TiO2 Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NOx by NH3

通讯作者：李想, 北京航空航天大学

作者：Si Jiang, Qingfan Su, Yong Yin, Tianle Zhu, and Xiang Li

近日，北京航空航天大学空间与环境学院李想副教授团队发现了重金属砷对镉中毒的V2O5/TiO2脱硝催化剂的解毒作用，其源于砷与镉之间的相互作用，使被镉限制的VOx活性位点得到释放。

钒基催化剂是工业上广泛应用的NH3-SCR催化剂，但是，在成分复杂的烟气中，其表面VOx活性位点容易被毒物破坏，导致催化剂脱硝效率显著下降。镉是从煤燃烧和垃圾焚烧中释放出的一种有害半挥发性重金属，其致失活机制已被研究：破坏催化剂的表面酸性和氧化还原性。砷是烟气中的另一种常见重金属毒物，其致失活效应包括：惰性酸位形成抑制氨吸附和强氧化促进副产物N2O生成。值得注意的是，镉和砷对催化剂的表面酸性和氧化还原性影响相反。当这两种毒物共存时，钒基催化剂脱硝性能如何变化是值得研究的课题。

本研究发现了砷在镉中毒的V2O5/TiO2催化剂上具有特殊的解毒作用。如图1所示，镉砷复合的V2O5/TiO2催化剂（VTi-Cd&As）展现出优于单独中毒VTi-Cd、VTi-As催化剂的脱硝性能。同时，砷对催化剂氮气选择性的负面影响被镉抑制。

图1：新鲜及中毒催化剂的（a）氮氧化物转化率及（b）氮气选择性和N2O产量。

接下来通过一系列表征手段揭示了砷对镉中毒V2O5/TiO2催化剂的解毒作用机制。利用XRD、IR、Raman等表征技术研究了镉、砷两种毒物在催化剂表面的存在形态和作用位点（图2）。镉主要与表面VOx物种作用，砷倾向于与TiO2载体作用。镉砷同时存在时，砷与镉作用，被镉破坏的VOx位点得到恢复。

图2：新鲜及中毒催化剂的（a）XRD谱图，（b）脱水红外，以及（c）脱水拉曼谱图。

为了研究反应过程中VOx位点的变化，进行了VTi-Cd和VTi-Cd&As的原位UV-vis实验。催化剂依次暴露于NH3/Ar、NH3+NO/Ar、NH3+NO+O2/Ar和O2/Ar气氛中，过程中被还原V5+的相对含量如图3所示。前两个阶段，VTi-Cd和VTi-Cd&As表面V5+被还原。后两个阶段，两种催化剂表现出不同的变化特征：VTi-Cd&As上被还原的V5+发生再氧化，而VTi-Cd没有明显变化。上述现象表明，镉严重抑制了催化剂表面被还原的V5+的再氧化过程，而砷的引入可恢复这一关键环节。

图3：250 ℃下随反应气氛变化的被还原V5+的相对含量：（a）VTi-Cd，（b）VTi-Cd&As。

最后，图4总结了砷对镉中毒V2O5/TiO2催化剂的解毒机制。镉与催化剂表面VOx位点作用导致催化剂失活，然而砷可以通过与镉的相互作用来释放受影响的VOx位点。

图4：砷对镉中毒V2O5/TiO2催化剂的解毒机制。

相关论文发表在ACS EST Engineering上，北京航空航天大学硕士研究生蒋偲为文章的第一作者，李想副教授为通讯作者。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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