【综述】能源环境保护：CO-SCR催化剂及反应机理研究进展

面对日益严格的NO治理要求以及NH ₃ -SCR技术存在的明显弊端，CO-SCR技术利用钢铁冶金、废物焚烧等工业烟气中富含的CO作为还原剂,选择性催化还原 NO _x ，在协同治理 NO _x 和CO的同时,实现“以废治废”，有效应对二次污染和高成本等问题，具有极大的环保价值和经济效益。目前，CO-SCR技术在能源环保领域已引起广泛关注，但大多数研究仅限于催化剂性能结构的优化，尚未明晰各种工况下的反应机理，因此亟待开发出适用于工业实际应用的高效催化剂。CO-SCR领域的催化剂发展主要集中在降低传统贵金属用量并提高 NO _x 和CO 的共同脱除效率。通过掺杂 Cu、Mn、Fe 等过渡元素引发金属间协同效应，或者选择合适的载体和结构体系均能起到积极的作用。此外，在实际应用过程中，催化剂能否在复杂环境下保持高活性也是一个关键问题，诸如富氧、H ₂ O、SO ₂ 、碱金属中毒等因素都会对催化效果产生重大影响，因此通过模拟工业烟气实况，借助原位测试等表征手段，探明催化剂失活过程对于抗中毒研究至关重要。本综述分析了CO-SCR的基本反应过程和实际应用中面临的挑战，并对当前研究热点的三种类型催化剂的性能优势及创制方法进行了详细总结。同时，分析了不同反应条件下催化剂的反应机制和中毒改良方式，并展望了CO-SCR催化剂的未来发展方向，相关研究可以为开发性能更优的工业协同脱除催化剂提供理论指导。

氮氧化物（ NO _x ）是酸雨、光化学烟雾和温室效应等污染现象的关键诱发因素，严重危害生态环境和人体健康。为持续深入打好蓝天保卫战,国家大力推动 NO _x 减排工作。2022年，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，提出PM _2.5 和O ₃ 的协同控制,而 NO _x 作为 PM _2.5 和O ₃ 形成的关键前体物质之一，目标到2025年减排10%以上，以实现节能降碳减污协同增效。生态环境部门要求重点区域和重点行业进行产业、能源、交通绿色优化转型，对 NO _x 定源工程减排和移动源管理减排提出具体措施,力求完善 NO _x 大气污染治理体系。通常大气污染中所指的 NO _x 为NO和NO ₂ ，具有刺激性臭味和毒性，主要来源于自然界和人类活动，自然产生的 NO _x 可在氮循环中得到平衡，但诸如化石能源燃烧、工业生产排放、化肥农药使用等所产生的 NO _x 则超出自然承载范围，无法全部被循环净化，是污染的主要成因。

选择性催化还原法（ SCR ）是当前应用最广泛且最有效的烟气脱硝技术。一般工业上利用液氨、氨水、尿素等作为还原剂，在氧气和催化剂的作用下选择性地将 NO _x 催化转化为绿色无污染的N ₂ 和H ₂ O，该方法虽然工艺成熟、处理效率高，但催化剂面临中毒失活和存在氨逃逸风险，无法满足绿色低碳的要求。在钢铁冶金、废物焚烧及机动车尾气排放等领域中，所需处理的气体除了含 NO _x 外，还有CO，CO的性质稳定，长期暴露会对人体造成致命性毒害。然而由于CO本身具有还原性，因此，近年来使用CO作为还原剂替代传统 NH ₃ -SCR 的技术备受关注。其中，以钢铁烧结为代表的工业过程含碳燃料消耗占比达8%~10%，并且由于碳的不完全燃烧，CO的原始排放浓度高达7000~10000mg/m ³ ，结合每小时百立方米的排气量，烧结过程的CO排放量巨大，是CO-SCR工艺良好的适用场景。该法在催化净化NO的同时，CO被氧化为CO ₂ ，实现对烟气中 NO _x 和CO的协同治理，达到“以废治废”的效果，这一技术无需液氨或尿素，降低运行成本，而且可以避免氨泄露、催化剂中毒等问题，具有极广阔的应用前景。

图1  Fe-beta催化剂在不同反应条件下的CO-SCR性能 ^[48]

图2 Cu-Ni/AC催化剂脱硝机理图 ^[53]

图3 碱金属中毒及铈改性催化剂防中毒机理图 ^[63]