氮氧化物（NO_x）是大气环境中一种常见污染物，严重危害着环境和人类健康。氨气选择性催化还原法（NH₃-SCR）是目前最有效的固定源氮氧化物的减排技术，其核心是脱硝催化剂。商用V₂O₅-WO₃/TiO₂（VWTi）催化剂是目前运用最广泛的脱硝催化剂，具有脱硝活性高、热稳定性强且N₂选择性高等优点，但在复杂烟气的条件下长期运行后，VWTi催化剂会受烟气中一些化学组分（如碱金属和重金属等）的影响而中毒失活。因此，为了延长商用脱硝催化剂的使用寿命，有必要对V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂进行改性以提高其脱硝效率和抗中毒能力。目前已经报道的关于改性V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂获得高抗中毒能力的研究已取得了一定的成果。但在改性手段上较为单一，抗中毒性能上仍存在提升空间，在脱硝和抗中毒机制方面仍有一些需要深入探索的问题。而且已有的抗中毒改性主要针对单一元素的中毒，关于多元素复合中毒的抗性研究相对较少。 

　　本文采用浸渍法制备了铁-铈氧化物共同改性的V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂。当Fe/V与Ce/V的摩尔比分别为0.05和1.5时，改性催化剂（简写为FeCeVWTi）的脱硝效率最高，并具有高效的抗K和Pb中毒的能力以及优异的抗H₂O和SO₂的能力。在K-Pb中毒后，FeCeVWTi催化剂在350 ℃下的NO_x转化率为92.7%，远高于VWTi催化剂（70.6%）。研究发现，VWTi催化剂上的SCR反应遵循Eley-Rideal（E-R）机理。K和Pb中毒严重破坏了其酸性位点和氧化还原位点，而两者在SCR反应中起着关键作用，因而导致其SCR活性降低。而铁-铈氧化物共同改性使得Fe、Ce和V之间相互作用形成了氧化还原循环，增加了FeCeVWTi催化剂表面的V⁵⁺和表面化学吸附氧含量，较大幅度提高了催化剂的氧化还原能力，增强了NO的氧化和吸附，使得FeCeVWTi催化剂同时遵循E-R机理和Langmuir-Hinshelwood（L-H）机理。因此虽然铁-铈氧化物共同改性略微降低了催化剂的表面酸性，但仍然增加了催化剂的NH₃-SCR活性。虽然FeCeVWTi催化剂在K-Pb中毒后表面的酸性位点被较大程度地破坏了，但其氧化还原能力被破坏的程度相对较小。因而，在K和Pb中毒后FeCeVWTi催化剂仍保留了较强的氧化还原能力和NO_x的吸附性能，从而在一定程度上维持了遵循L-H机理的SCR反应活性，具有优于VWTi催化剂的抗中毒能力。本文采用铁-铈氧化物共同改性商用V₂O₅-WO₃/TiO₂脱硝催化剂，显著提高了其脱硝效率以及抗K和Pb复合中毒的能力，并探究了催化剂的脱硝效率和抗中毒能力增强的原因，阐释了改性催化剂可能的脱硝机理和抗中毒机制。这为商用SCR脱硝催化剂的抗中毒改性和配方设计提供了一定的理论指导。 

　　该研究成果以Promotional effect of Fe and Ce co-doping on a V₂O₅–WO₃/TiO₂ catalyst for SCR of NO_x with high K and Pb resistance为题发表在Catalysis Science & Technology上（DOI：10.1039/d2cy00818a），中国科学院城市环境研究所易显芳硕士生为第一作者，中国科学院城市环境研究所陈进生研究员和王金秀副研究员为共同通讯作者。该研究得到中国科学院B类先导科技专项培育项目(XDPB1902)、福建省社会发展引导性(重点)项目(2020Y0085)和中国科学院青年创新促进会(2020309)的资助。 

　　论文链接

图1 K和Pb复合中毒的VWTi和FeCeVWTi催化剂的(a) NO_x转化率和(b) NO+O₂程序升温脱附曲线

图2 FeCeVWTi催化剂高抗K和Pb中毒的NH₃-SCR反应机理示意图