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中科院过程所：烟气组分协同强化CO催化还原NOx

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-01 16:15

正文

▲第一作者：王艺晰助理研究员

通讯作者：徐文青研究员

通讯单位：中国科学院过程工程研究所

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125066（点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

近日，中国科学院过程工程研究所朱廷钰研究员团队在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表题为“Unveiling the mechanism of CO–SCR reaction over Ir/SiO₂ catalyst in the presence of multiple components (CO, O₂, SO₂)”的文章。系统研究了CO/NO比、O₂、SO₂对Ir/SiO₂催化剂用于CO-SCR反应性能的影响，揭示了理想气氛下ONNO中间体生消过程机制，提出了O₂存在下以硝酸盐为中间体的“无效反应途径”，并阐明了SO₂氧化对于调节催化剂表面选择性吸附反应气体的贡献。这项研究解决了长期以来关于复杂烟气组分参与CO-SCR反应的争议，在含硫条件下Ir/SiO₂催化剂表面NOx转化率可达78%。

图1 多组分作用下Ir/SiO₂催化剂表面CO-SCR反应机制

背景介绍

工业烟气广泛的氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）排放对生态环境和人类健康构成重大危害。利用CO选择性催化还原NOx（CO-SCR）是一种以废治废的脱硝方法。然而，工业烟气的成分十分复杂，例如与工况条件密切相关的CO/NO比、高浓度O₂和一定量的SO₂都会导致CO-SCR催化剂脱硝性能变化。本文讨论了多组分作用下Ir/SiO₂催化剂表面CO-SCR反应机理，为开发复杂烟气特征下高效CO-SCR催化材料提供了理论支撑。

本文要点

要点一：揭示了ONNO是Ir/SiO₂催化剂上CO还原NOx的关键中间体

图2 Ir（111）表面CO-SCR反应路径计算结果

通过DFT计算解析了理想气氛下CO-SCR反应路径，以Ir（111）作为Ir/SiO₂催化剂表面活性位点模型。结果证实N-O键直接断键能垒高达1.58 eV，而两个NO分子二聚为ONNO后，N-O键的断键能垒依次为TS1=0.55 eV、TS3=0.08 eV。CO促进解离O原子转化，与两个解离O原子反应生成CO₂的活化能垒分别是TS2=0.47 eV、TS4=0.43 eV，低于直接形成O₂的活化能垒（TS6=1.07 eV）。CO₂解吸后，活性位点再生为初始Ir（111），进入下一个反应循环。

要点二：提出了含氧条件下存在以硝酸盐为中间体的“无效反应路径”

图3 Ir/SiO₂催化剂表面CO-SCR反应的原位DRIFTS结果反应条件：（a）400 ppm NO+8000 ppm CO，（b）400 ppm NO+8000 ppm CO+5% O2（250 °C）

图4 （a）NO和O₂的程序升温表面反应，（b）CO还原NO₂活性评价

NO还原过程涉及到ONNO和硝酸盐两种中间体，随着O₂的注入，硝酸盐中间体信号强度增加。随着温度升高释放出弱吸附甚至气态的NO，在O₂作用下转化为NO₂。即使一些还原剂是“快速直接氧化”的幸存者，它们与NO₂反应的产物也以NO为主而不是N₂，导致NO的表观转化率呈下降趋势，即含氧条件下存在以硝酸盐为中间体的“无效反应路径”。

要点三：阐明了SO₂对于选择性调节ONNO和硝酸盐路径占比的贡献

图5 Ir/SiO₂催化剂表面程序升温脱附实验结果（a）NO+C¹³O，（b）NO+C¹³O+O₂，（c）NO+C¹³O+O₂+SO₂

图6 （a）程序升温脱附峰面积积分结果，（b）含氮产物脱附峰面积比例

图7 （a）O₂、NO、CO、SO₂、SO₃在Ir（111）表面吸附能，（b）O₂、NO、CO在Ir（111）-SO₂和Ir（111）-SO₃表面吸附能

通过质谱法分析了Ir/SiO₂催化剂表面程序升温脱附结果，并使用C¹³O（m/z=29）代替CO（m/z=28）以区分质谱中CO和N₂（m/z=28）的信号。C¹³O₂的脱附峰面积随着O₂的注入而增加，随着SO₂的注入而减小。SO₂在Ir（111）表面吸附能高于O₂，然而，一旦氧化生成SO₃，O₂的吸附将受到抑制，NO和CO的选择性吸附得到促进。此时，ONNO路径占比增加，CO氧化副反应被抑制，更多NO定向转化为N₂。

作者介绍

徐文青（通讯作者）：中国科学院过程工程研究所研究员/博导，国家优秀青年基金、北京市科技新星获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，主要从事钢铁行业污染控制与碳减排等方向的研究。已发表SCI论文70余篇，授权发明专利50余项，曾获国家自然科学二等奖、环境保护科学技术一等奖、有色技术工业技术发明一等奖等省部级奖励。

王艺晰（第一作者）：中国科学院过程工程研究所助理研究员，研究方向为气态污染物的催化脱除。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年项目。发表SCI论文13篇，其中以第一作者/共同第一作者身份在Appl. Catal. B、Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文7篇。获环境保护科学技术二等奖。

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参考文献：Yixi Wang, Wenqing Xu*, Zhi Liu, Yulong Shan, Wanrong Chen, Xinyu Zhang, Tingyu Zhu. Unveiling the mechanism of CO-SCR reaction over Ir/SiO₂ catalyst in the presence of multiple components (CO, O₂, SO₂). Applied Catalysis B: Environment and Energy. 2025, 366, 125066.

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