D0:10.13374.issn1001-053x.2013.07.001 第35卷第7期 北京科技大学学报 Vol.35 No.7 2013年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2013 锆掺杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原O 汪莉1,2)，郑芸芸)，宋存义1,2 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangli@ces.ustb.edu.cm 摘要采用凝胶溶胶法制备TiO2以及摩尔比分别为1：1和4：1的TiO2-ZO2三种载体，然后浸渍负载一定量的活 性组分MOx制备相应催化剂.通过X射线衍射和扫描电镜对载体和催化剂进行表征，并进行氨气低温选择性催化还 原NO(NH3-SCR)实验来考察催化剂的话性.三种载体中TiO2-ZrO2(4:1)的颗粒粒径最小且高度分散，加入氧化锆 后，Z4+离子取代T4+离子摻杂进入TiO2晶格内，引起TO2晶格畸变，抑制TiO2晶型转变，并促进载体上活性 组分Mn的均匀分布，从而提高催化剂的低温选择性催化还原活性.TiO2-ZO2(4:1)加入质量分数10%的Mn后催化 剂的活性最高，在130℃采用该催化剂催化时N0的转化率达到92.6%：150℃时通入体积分数10%的水蒸气会降低 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1)催化剂的活性，撤消后活性可逐渐恢复：而200℃时10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1)的活性基本不受 水蒸气的影响. 关键词选择性催化还原：氧化钛：氧化锆：锰氧化物：摻杂：氮氧化物：污染防治 分类号X511 Manganese oxides supported on zirconium-doped titania for low tem- perature selective catalytic reduction of NO WANG Li1.2),ZHENG Yun-yun 1),SONG Cun-yi 1.2) 1)School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of The Ministry of Education for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangli@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Three kinds of carriers TiO2,TiO2-ZrO2 with the molar ratio of 1:1,and TiO2-ZrO2 with the molar ratio of 4:1 were prepared by a sol-gel method,and then the corresponding catalysts were obtained through loading a certain amount of active ingredient MnO on the carriers.The carriers and catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD)and scanning electron microscopy (SEM).Some experiments on the selective catalytic reduction of NO with ammonia (NHs-SCR)were performed in order to investigate the activity of the catalysts.It is found that TiO2-ZrO2(4:1)has the minimum particle size and its particles are highly dispersive among the three carriers.When adding ZrO2,Zr+ions dope into the TiO2 lattice by substituting Tit ions,and thus the lattice distortion is triggered and the crystal transformation is restrained in the TiO2.Furthermore,Zr also promotes the dispersion of the active ingredient on the carrier,thereby improves the activity of the catalysts.The 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1)catalyst that adding 10%Mn to TiO2-ZrO2(4:1)has the highest activity among the three catalysts.The conversion of NO can reach 92.6%when catalyzed by this catalyst at 130 C.The activity of 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1)decreases when adding 10% of water vapor at 150 C,and it can restore when cutting off water vapor.But water vapor has no effect on the activity of10%Mn/Ti02-Zr02(4:1)at200℃. KEY WORDS selective catalytic reduction:titania;zirconia;manganese oxides;doping;nitrogen oxides;pollution control 收稿日期：2012-07-03 基金项目：国际合作与交流重要项目(2012DFA50990):因家自然科学基金资助项目(51172022)
第 35 卷 第 7 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 7 2013 年 7 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul. 2013 锆掺杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原NO 汪 莉1,2) ，郑芸芸1)，宋存义1,2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 通信作者，E-mail: wangli@ces.ustb.edu.cn 摘 要 采用凝胶溶胶法制备 TiO2 以及摩尔比分别为 1:1 和 4:1 的 TiO2-ZrO2 三种载体，然后浸渍负载一定量的活 性组分 MnOx 制备相应催化剂. 通过 X 射线衍射和扫描电镜对载体和催化剂进行表征，并进行氨气低温选择性催化还 原 NO (NH3-SCR) 实验来考察催化剂的活性. 三种载体中 TiO2-ZrO2(4:1) 的颗粒粒径最小且高度分散，加入氧化锆 后，Zr4+ 离子取代 Ti4+ 离子掺杂进入 TiO2 晶格内，引起 TiO2 晶格畸变，抑制 TiO2 晶型转变，并促进载体上活性 组分 Mn 的均匀分布，从而提高催化剂的低温选择性催化还原活性. TiO2-ZrO2(4:1) 加入质量分数 10%的 Mn 后催化 剂的活性最高，在 130 ℃采用该催化剂催化时 NO 的转化率达到 92.6%；150 ℃时通入体积分数 10%的水蒸气会降低 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 催化剂的活性，撤消后活性可逐渐恢复；而 200 ℃时 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 的活性基本不受 水蒸气的影响. 关键词 选择性催化还原；氧化钛；氧化锆；锰氧化物；掺杂；氮氧化物；污染防治 分类号 X511 Manganese oxides supported on zirconium-doped titania for low temperature selective catalytic reduction of NO WANG Li 1,2) , ZHENG Yun-yun 1)，SONG Cun-yi 1,2) 1) School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of The Ministry of Education for High Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: wangli@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT Three kinds of carriers TiO2, TiO2-ZrO2 with the molar ratio of 1:1, and TiO2-ZrO2 with the molar ratio of 4:1 were prepared by a sol-gel method, and then the corresponding catalysts were obtained through loading a certain amount of active ingredient MnOx on the carriers. The carriers and catalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Some experiments on the selective catalytic reduction of NO with ammonia (NH3-SCR) were performed in order to investigate the activity of the catalysts. It is found that TiO2-ZrO2 (4:1) has the minimum particle size and its particles are highly dispersive among the three carriers. When adding ZrO2, Zr4+ ions dope into the TiO2 lattice by substituting Ti4+ ions, and thus the lattice distortion is triggered and the crystal transformation is restrained in the TiO2. Furthermore, Zr also promotes the dispersion of the active ingredient on the carrier, thereby improves the activity of the catalysts. The 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) catalyst that adding 10% Mn to TiO2-ZrO2(4:1) has the highest activity among the three catalysts. The conversion of NO can reach 92.6% when catalyzed by this catalyst at 130 ℃. The activity of 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) decreases when adding 10% of water vapor at 150 ℃, and it can restore when cutting off water vapor. But water vapor has no effect on the activity of 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) at 200 ℃. KEY WORDS selective catalytic reduction; titania; zirconia; manganese oxides; doping; nitrogen oxides; pollution control 收稿日期：2012–07–03 基金项目：国际合作与交流重要项目 (2012DFA50990)；国家自然科学基金资助项目 (51172022) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.001
第7期 汪莉等：锆摻杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原NO ,923· 氨氧化物(NO)能引起酸雨、光化学烟雾及 还原NO(NHg-SCR)的活性评价以及X射线衍射 损害人体健康.选择性催化还原(SCR)法是在一 (XRD)和扫描电镜(SEM)结构表征. 定的温度和催化剂作用下，利用NH3等还原剂有 1实验部分 选择地把烟气中的NOx还原为N2.目前工业应 用的选择性催化还原法中最为成熟的催化剂是在 1.1催化剂的制备 V2O5/TO2基础上进行改性的催化剂，该催化剂的 1.1.1Ti02-Zr02载体的制备 操作温度必须高于350℃，且存在硫中毒的问题. 将冰醋酸、蒸馏水和无水乙醇以一定体积比混 火电厂烟气除尘后烟气温度一般小于150℃，脱硫 合为A液.将一定量的钛酸丁酯和无水乙醇混合为 后烟气的排放温度一般约80℃.为降低SO2和粉 B液.采用磁力搅拌器在室温下中速搅拌，将A液 尘对催化剂的影响，需将选择性催化还原床置于除 缓缓滴入B液，滴加中加入一定量的氧氯化锆，滴 尘器和脱硫装置之后，但必须引入烟气再热工序， 加完后继续搅拌1.5h后，得到黄色均匀透明钛锆 脱硝成本势必大幅增加.因此寻求中低温下特别是 溶胶.将溶胶置于室温下老化24h,然后在105℃ 80~150℃的温度区间内经济实用的催化剂成为烟 的恒温条件下干燥一定时间，得到黄色晶体.将晶 气脱硝研究的热点. 体研磨后得到微黄色粉末，放入马弗炉中，500℃ 国内外的学者从催化剂的活性成分、载体等方 煅烧3h,得到TiO2-ZrO2粉末.其中Ti:Zr摩尔比 面进行了大量探索研究，发现含有过渡金属的催化 为1：1的载体表示为TiO2-Zr02(1:1),Ti:Zr摩尔比 剂在低温下具有良好的催化性能.并且相比单一金 为4：1的载体表示为TiO2-ZO2(4:1).在相同条件 属氧化物作为活性组分或载体时，复合氧化物催化 下制备TiO2 剂（如MnCeO四）或复合载体催化剂（如Ce/TiO2 SiO)等显示出更佳的催化活性.Peia等3)研究 1.1.2浸渍法制备Mn0z/TO2-Zr02 了不同过渡金属(Mn、V、Co、Cu、Cr、Fe和Ni)负 将制备好的的TO2-ZO2载体浸渍于醋酸锰溶 载于锐钛矿型TO2时的选择性催化还原性能，发 液中，中速搅拌1.5h后，置于105℃下烘干24h.干 现在100℃左右，Mn0z催化效率已超过60%，但 燥后放入马弗炉中，除特别说明外，一般为500℃ 其他金属氧化物的催化效率只有20%左右.一般催 焙烧2.5h得到催化剂.催化剂表示为wMn/TiO2 化剂常用的载体有TiO2、SiO2、A12O3、活性炭和分 ZrO2.其中负载量w(催化剂中Mn的质量分数)分 子筛等.TO因其抗硫中毒能力较强得到广泛关 别为5%、10%、15%和20%. 注，但存在比表面积较小和热稳定性较差的不足， 1.2催化剂的表征 从而影响了催化性能.有研究5-句显示TO2中添 采用德国Zeiss SUPRA-55场发射扫描电镜 加ZrO2可以改善上述缺点，且复合氧化物TiO2 (FESEM)表征催化剂的形貌特征，并进行能谱分 Zr02有比单一的TiO2、ZrO2更强的酸性，有利 析(EDS) 于NH3的吸附，进而提高催化性能r-8).Jiang 等间制备的Cu0/TiO2ZrO2显示出比CuO/TiO2 采用日本理学DMAX-RB12kW旋转阳极X 更高的催化活性和N2选择性.张秋林等1o采用共 射线衍射仪进行样品的物相分析.采用铜靶（波长 沉淀法制备了Ti:Zr摩尔比为11的复合载体，负 为0.15406nm),在40kV加速电压、150mA的电 载MnO2和Fe203后，该催化剂在250℃时可达 流强度下，以10°min-1的速度扫描，扫描范围为 到98%的催化效率.毛东森等采用溶胶凝胶法制 20=10°80° 备的TiO2-ZxO2的表面酸量大于共沉淀法和均匀沉 1.3催化剂的活性测试 淀法制备的TiO2-ZrO2.Perez-Hernandez等1☒发现 将制得的催化剂研磨，过60目筛，取一定量 TiO2-ZrO2中Ti含量较多时负载的活性组分Pt在 的筛下样品用于催化活性测试实验.实验装置如 TO2-ZrO2上的分散性更好，催化效果更佳.高琳琳 图1所示.石英反应管内径为9mm,由立式管 等13)也认为适当增加Ti02-ZO2中Ti的比例能提 式加热炉加热，模拟烟气组成（体积分数）为01% 高催化剂的活性. NO、0.1%NH3、6.7%O2和N2作平衡，气体流量 本文采用凝胶溶胶法制备了TO2以及摩尔比 为600 nL.min-1,空速为66000h-1.在测试抗水 分别为1：1和4：1的TiO2-ZO2三种载体，浸渍负 性能时，通过注射泵加入一定量的H2O,在预热电 载活性组分M,并对其进行氨气低温选择性催化 阻炉中预先汽化为水蒸气，体积分数为10%
第 7 期 汪 莉等：锆掺杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原 NO 923 ·· 氮氧化物 (NOx) 能引起酸雨、光化学烟雾及 损害人体健康. 选择性催化还原 (SCR) 法是在一 定的温度和催化剂作用下，利用NH3 等还原剂有 选择地把烟气中的 NOx 还原为N2. 目前工业应 用的选择性催化还原法中最为成熟的催化剂是在 V2O5/TiO2 基础上进行改性的催化剂，该催化剂的 操作温度必须高于 350 ℃，且存在硫中毒的问题. 火电厂烟气除尘后烟气温度一般小于 150 ℃，脱硫 后烟气的排放温度一般约80 ℃. 为降低 SO2 和粉 尘对催化剂的影响，需将选择性催化还原床置于除 尘器和脱硫装置之后，但必须引入烟气再热工序， 脱硝成本势必大幅增加. 因此寻求中低温下特别是 80∼150 ℃的温度区间内经济实用的催化剂成为烟 气脱硝研究的热点. 国内外的学者从催化剂的活性成分、载体等方 面进行了大量探索研究，发现含有过渡金属的催化 剂在低温下具有良好的催化性能. 并且相比单一金 属氧化物作为活性组分或载体时，复合氧化物催化 剂 (如 MnCeO[1] x ) 或复合载体催化剂 (如 Ce/TiO2- SiO[2] 2 ) 等显示出更佳的催化活性. Pe˜na 等[3] 研究 了不同过渡金属 (Mn、V、Co、Cu、Cr、Fe 和 Ni) 负 载于锐钛矿型 TiO2 时的选择性催化还原性能，发 现在 100 ℃左右，MnOx 催化效率已超过 60%，但 其他金属氧化物的催化效率只有 20%左右. 一般催 化剂常用的载体有 TiO2、SiO2、Al2O3、活性炭和分 子筛等. TiO[4] 2 因其抗硫中毒能力较强得到广泛关 注，但存在比表面积较小和热稳定性较差的不足， 从而影响了催化性能. 有研究[5−6] 显示 TiO2 中添 加 ZrO2 可以改善上述缺点，且复合氧化物 TiO2- ZrO2 有比单一的 TiO2、ZrO2 更强的酸性，有利 于 NH3 的吸附，进而提高催化性能 [7−8]. Jiang 等 [9] 制备的 CuO/TiO2-ZrO2 显示出比 CuO/TiO2 更高的催化活性和 N2 选择性. 张秋林等[10] 采用共 沉淀法制备了 Ti:Zr 摩尔比为 1:1 的复合载体，负 载 MnO2 和 Fe2O3 后，该催化剂在 250 ℃时可达 到 98%的催化效率. 毛东森等[11] 采用溶胶凝胶法制 备的 TiO2-ZrO2 的表面酸量大于共沉淀法和均匀沉 淀法制备的 TiO2-ZrO2. P´erez-Hern´andez 等[12] 发现 TiO2-ZrO2 中 Ti 含量较多时负载的活性组分 Pt 在 TiO2-ZrO2 上的分散性更好，催化效果更佳. 高琳琳 等[13] 也认为适当增加 TiO2-ZrO2 中 Ti 的比例能提 高催化剂的活性. 本文采用凝胶溶胶法制备了 TiO2 以及摩尔比 分别为 1:1 和 4:1 的 TiO2-ZrO2 三种载体，浸渍负 载活性组分 Mn，并对其进行氨气低温选择性催化 还原 NO (NH3-SCR) 的活性评价以及 X 射线衍射 (XRD) 和扫描电镜 (SEM) 结构表征. 1 实验部分 1.1 催化剂的制备 1.1.1 TiO2-ZrO2 载体的制备 将冰醋酸、蒸馏水和无水乙醇以一定体积比混 合为 A 液. 将一定量的钛酸丁酯和无水乙醇混合为 B 液. 采用磁力搅拌器在室温下中速搅拌，将 A 液 缓缓滴入 B 液，滴加中加入一定量的氧氯化锆，滴 加完后继续搅拌 1.5 h 后，得到黄色均匀透明钛锆 溶胶. 将溶胶置于室温下老化 24 h，然后在 105 ℃ 的恒温条件下干燥一定时间，得到黄色晶体. 将晶 体研磨后得到微黄色粉末，放入马弗炉中，500 ℃ 煅烧 3 h，得到 TiO2-ZrO2 粉末. 其中 Ti:Zr 摩尔比 为 1:1 的载体表示为 TiO2-ZrO2(1:1)，Ti:Zr 摩尔比 为 4:1 的载体表示为 TiO2-ZrO2(4:1). 在相同条件 下制备 TiO2. 1.1.2 浸渍法制备 MnOx/TiO2-ZrO2 将制备好的的 TiO2-ZrO2 载体浸渍于醋酸锰溶 液中，中速搅拌 1.5 h 后，置于 105 ℃下烘干 24 h. 干 燥后放入马弗炉中，除特别说明外，一般为 500 ℃ 焙烧 2.5 h 得到催化剂. 催化剂表示为 wMn/TiO2- ZrO2. 其中负载量 w(催化剂中 Mn 的质量分数) 分 别为 5%、10%、15%和 20%. 1.2 催化剂的表征 采用德国 Zeiss SUPRA-55 场发射扫描电镜 (FESEM) 表征催化剂的形貌特征，并进行能谱分 析 (EDS). 采用日本理学 DMAX-RB 12 kW 旋转阳极 X 射线衍射仪进行样品的物相分析. 采用铜靶 (波长 为 0.15406 nm)，在 40 kV 加速电压、150 mA 的电 流强度下, 以 10◦ ·min−1 的速度扫描，扫描范围为 2θ=10◦∼80◦ . 1.3 催化剂的活性测试 将制得的催化剂研磨，过 60 目筛，取一定量 的筛下样品用于催化活性测试实验. 实验装置如 图 1 所示. 石英反应管内径为 9 mm，由立式管 式加热炉加热，模拟烟气组成 (体积分数) 为 0.1% NO、0.1% NH3、6.7% O2 和 N2 作平衡，气体流量 为 600 mL·min−1，空速为 66000 h−1 . 在测试抗水 性能时，通过注射泵加入一定量的 H2O，在预热电 阻炉中预先汽化为水蒸气，体积分数为 10%
.924· 北京科技大学学报 第35卷 烟气分析 采用英国Kane公司KM900手持烟气分析仪 烟气排放 测定进出口NO的浓度.利用下式计算催化剂催化 效率(NO去除率)： 10 NO去除率= 入口NO浓度-出口NO浓度 ×100%. 入口NO浓度 13 (1) 2结果与讨论 2.1催化剂的扫描电镜表征结果 2.1.1载体的扫描电镜图和能谱分析 分别对凝胶溶胶法制备的TiO2、TiO2-ZrO2 1一N2气瓶：2一NO气瓶：3一O2气瓶：4一NH1气瓶： 5一减压阀：6一流量计：7一混合缓冲罐：8一注射泵； (1:1)和TiO2-ZrO2(4:1)进行了扫描电镜(SEM形 9一预热箱式电阻炉：10一温度计：11一热电偶： 貌表征和能谱分析(EDS),结果如图2所示.从 12一玻璃管反应器：13一控温仪 图2中可以看出，三种载体均为纳米结构，可以为 活性组分提供合适的比表面.TO2载体颗粒部分 图1选择性催化还原实验装置示意图 团聚，粒径分布不均匀：TiO2-ZrO2(1:1)载体颗粒 Fig.1 Schematic profile of SCR reaction experimental ap- 出现严重团聚：TiO2-ZrO2(4:1)中载体颗粒粒径较 paratus 1508 (b) Ti 8100 0 Ti 0 1 5 6 能量/keV Zr (d) 200 100 Ti Zr 0 1 234 67 能量/keV () Zr i 100 50 Zx Ti Lnb》 2 5 6 能量/keV 图2载体的扫描电镜像(a)Ti02;(c)Ti02-Zr02(1:1):(e)Ti02-Zr02(41)和能谱(b)Ti02;(d)Ti02-Z02(1:1方(f)Ti02 Zr02(4:1)） Fig.2 SEM images ((a)TiO2;(c)TiO2-ZrO2(1:1);(e)TiO2-ZrO2(4:1))and EDS spectra((b)TiO2;(d)TiO2-ZrO2(1:1);(f) TiO2-ZrO2(4:1))of carriers
· 924 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 1 选择性催化还原实验装置示意图 Fig.1 Schematic profile of SCR reaction experimental apparatus 采用英国 Kane 公司 KM900 手持烟气分析仪 测定进出口 NO 的浓度. 利用下式计算催化剂催化 效率 (NO 去除率): NO去除率 = 入口NO浓度 − 出口NO浓度 入口NO浓度 × 100%. (1) 2 结果与讨论 2.1 催化剂的扫描电镜表征结果 2.1.1 载体的扫描电镜图和能谱分析 分别对凝胶溶胶法制备的 TiO2、TiO2-ZrO2 (1:1) 和 TiO2-ZrO2(4:1) 进行了扫描电镜 (SEM) 形 貌表征和能谱分析 (EDS)，结果如图 2 所示. 从 图 2 中可以看出，三种载体均为纳米结构，可以为 活性组分提供合适的比表面. TiO2 载体颗粒部分 团聚，粒径分布不均匀；TiO2-ZrO2(1:1) 载体颗粒 出现严重团聚；TiO2-ZrO2(4:1) 中载体颗粒粒径较 图 2 载体的扫描电镜像 ((a) TiO2; (c) TiO2-ZrO2(1:1); (e) TiO2-ZrO2(4:1)) 和能谱 ((b) TiO2; (d) TiO2-ZrO2(1:1); (f) TiO2- ZrO2(4:1)) Fig.2 SEM images ((a) TiO2; (c) TiO2-ZrO2(1:1); (e) TiO2-ZrO2(4:1)) and EDS spectra ((b) TiO2; (d) TiO2-ZrO2(1:1); (f) TiO2-ZrO2(4:1)) of carriers
第7期 汪莉等：锆摻杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原NO .925· 小，颗粒分布均匀，团聚较少.三种载体中TiO2 TiO2-ZrO2(4:1)负载质量分数为10%的Mn后，进 ZO2(4:1)的颗粒分布最均匀，粒径最小，约为 行扫描电镜表征及能谱分析，结果如图3所示.图3 3050nm,只有少数颗粒团聚.Ti02-Zr02(1:1) 的能谱表明，三种催化剂中确实有Mn存在.与载 和TiO2-ZrO2(4:1)的能谱中元素Ti:Zr摩尔比约为 体的扫描电镜图相比，催化剂的扫描电镜图显示， 0.8:1.0和3.5l.0,这与实验原料设计配比1：l及41 负载的活性组分在载体TO2表面结晶，颗粒分布 接近. 不均匀：活性组分在TO2-ZrO2(1:1)表面部分团聚； 2.1.2催化剂的扫描电镜图和能谱分析 活性组分在TiO2-Zr02(4:1)表面分散均匀.经比较 将凝胶溶胶法制备的Ti02、TiO2-Zr02(1:1)、 发现，TiO2-Zr02(4:1)表面活性组分分散最均匀. 200 (b) Mn 150 Ti 100 50 2 3 4 5 6 7 能量/keV 200 (d) 0 150 100 50 Zr Zr Ti MnMn 4 5 能量/keV 200 8 () 150 100 Zr 60 Ti Mn yn 3 能量/keV 图3催化剂的扫描电镜像(a)Mn/TiO2;(c)Mn/TiO2-ZrO2(1:1):(e)Mn/TiO2-ZrO2(4:1)和能谱(b)Mn/TiO2;(d)Mn/TiO2- ZrO2(1:1):(f)Mn/Ti02-Zr02(4:1) Fig.3 SEM images ((a)Mn/TiO2;(c)Mn/TiO2-ZrO2(1:1);(e)Mn/TiO2-ZrO2(4:1))and EDS spectra ((b)Mn/TiO2;(d) Mn/TiO2-ZrO2(1:1);(f)Mn/TiO2-ZrO2(4:1))of catalysts 2.2载体及催化剂的X射线衍射表征结果 48.1°、53.8°、55.0°、62.6°、68.7°、70.2°、75.0°和 2.2.1载体的X射线衍射谱图 76.0°处出现的衍射峰，为锐钛矿的特征峰(JCPDS 图4为载体Ti02、Ti02-Zr02(1:1)及Ti02- 65-5714),在20=27.4°出现的衍射峰为金红石的晶 ZrO2(4:1)的X射线衍射谱图.由图4可知，凝胶溶 型的特征峰(JCPDS21-1276).TiO2-ZrO2(1:1)的X 胶法制备的Ti02在20=25.3°、36.9°、37.7°、38.6°、 射线衍射谱图显示在20=24.6°、30.4°、32.6°、35.6°
第 7 期 汪 莉等：锆掺杂钛负载锰氧化物用于低温选择性催化还原 NO 925 ·· 小，颗粒分布均匀，团聚较少. 三种载体中 TiO2- ZrO2(4:1) 的颗粒分布最均匀， 粒径最小， 约为 30∼50 nm， 只有少数颗粒团聚. TiO2-ZrO2(1:1) 和 TiO2-ZrO2(4:1) 的能谱中元素 Ti:Zr 摩尔比约为 0.8:1.0 和 3.5:l.0，这与实验原料设计配比 1:l 及 4:1 接近. 2.1.2 催化剂的扫描电镜图和能谱分析 将凝胶溶胶法制备的 TiO2、TiO2-ZrO2(1:1)、 TiO2-ZrO2(4:1) 负载质量分数为 10%的 Mn 后，进 行扫描电镜表征及能谱分析，结果如图 3 所示. 图 3 的能谱表明，三种催化剂中确实有 Mn 存在. 与载 体的扫描电镜图相比，催化剂的扫描电镜图显示， 负载的活性组分在载体 TiO2 表面结晶，颗粒分布 不均匀；活性组分在 TiO2-ZrO2(1:1) 表面部分团聚； 活性组分在 TiO2-ZrO2(4:1) 表面分散均匀. 经比较 发现，TiO2-ZrO2(4:1) 表面活性组分分散最均匀. 图 3 催化剂的扫描电镜像 ((a) Mn/TiO2; (c) Mn/TiO2-ZrO2(1:1); (e) Mn/TiO2-ZrO2(4:1)) 和能谱 ((b) Mn/TiO2; (d) Mn/TiO2- ZrO2(1:1); (f) Mn/TiO2-ZrO2(4:1)) Fig.3 SEM images ((a) Mn/TiO2; (c) Mn/TiO2-ZrO2(1:1); (e) Mn/TiO2-ZrO2(4:1)) and EDS spectra ((b) Mn/TiO2; (d) Mn/TiO2-ZrO2(1:1); (f) Mn/TiO2-ZrO2(4:1)) of catalysts 2.2 载体及催化剂的 X 射线衍射表征结果 2.2.1 载体的 X 射线衍射谱图 图 4 为载体 TiO2、TiO2-ZrO2(1:1) 及 TiO2- ZrO2(4:1) 的 X 射线衍射谱图. 由图 4 可知，凝胶溶 胶法制备的 TiO2 在 2θ=25.3◦、36.9◦、37.7◦、38.6◦、 48.1◦、53.8◦、55.0◦、62.6◦、68.7◦、70.2◦、75.0◦ 和 76.0◦ 处出现的衍射峰，为锐钛矿的特征峰 (JCPDS 65-5714)，在 2θ=27.4◦ 出现的衍射峰为金红石的晶 型的特征峰 (JCPDS 21-1276). TiO2-ZrO2(1:1) 的 X 射线衍射谱图显示在 2θ=24.6◦、30.4◦、32.6◦、35.6◦
.926 北京科技大学学报 第35卷 37.3°、40.4°、41.9°、43.8°、44.9°等处出现了ZrTi04 非常微弱的Mn2O3的衍射峰：15%负载量的X射 的衍射峰(JCPDS34-415),未发现单独的TiO2和 线衍射谱图在20=17.9°、28.9°、32.6°、44.5°、57.9° ZO2的衍射峰.这是因为随着TiO2的晶格中掺 和59.6°(JCPDS6-540)左右出现了Mn203的衍射 入Zr1+的增多，锐钛矿TiO2晶型转变为连续性 峰：负载量为20%的20%Mn/Ti02-Zr02(4:1)于上 固溶体ZrTiO4.据研究ZTiO4具有较高的热稳 述峰位出现了更加明显的M2Og特征衍射峰，说 定性，大约在600~650℃形成，ZrTiO4在较低温度 明M血O,的负载量已超过了单层分散的阈值，部 下形成可能是由于制备条件及前驱盐的不同.TO2 分MnO,呈现结晶态.综上10%的负载量可能接近 ZrO2(4:1)的X射线衍射谱相对于纯TiO2的X射 活性组分在载体上单层分散的阈值，MOz较好地 线衍射谱没有新峰产生，峰位都向小角度方向发生 分散在载体表面. 了偏移，所有衍射峰的峰位都属于锐钛矿型TO2, 说明添加Zr后没有导致第二相的产生.且衍射峰 出现轻微宽化，说明晶粒尺寸变小.由于Zx+的有 ▲锐钛矿型TiO2 效半径(0.072nm)比Ti4+的有效半径(0.0605nm) ■MnOa 大，Z4+取代T+掺杂进入的TiO2晶格内，引起 TiO2晶格畸变，使得晶格常数变大，可能导致晶格 缺陷.鉴于TiO2的峰强大幅降低，金红石型特征峰 消失，说明Zr的摻杂抑制了TiO2的晶型转变，晶 20% 粒增长受到抑制，形成的颗粒尺寸较小14. 5 10% ▲锐钛矿型TiO ，金红石型TiO ■ZrTi04 10 20 30 40 50 60 70 80 28/() TiO 图5不同Mn负载量下Mn/TiO2-ZrO2(4:1)的X射线衍 射谱图 Ti0-ZrO,(4:1) Fig.5 XRD patterns of Mn/TiO2-ZrO2(4:1)with different Ti0-Zr02(1:1) Mn loadings )从WM从 2.3催化剂的选择性催化还原活性测试结果 10 20 30 40506070 80 20/() 2.3.1载体负载Mn后对其活性的影响 图4Ti02、Ti02-ZrO2(1:1)及Ti02-ZrO2(4:1)的X射线 以载体Ti02、Ti02-Zx02(1:1)、Ti02-Zr02(4:1) 衍射谱图 分别负载10%（质量分数）的n,于500℃焙烧后得 Fig.4 XRD patterns of TiO2.TiO2-ZrO2(1:1)and TiO2- 到的催化剂进行活性测试，测试结果如图6所示. Zr02(4:1) 由图6可知，在100~200℃的温度区间内，各催化 剂NO的转化率都随温度的升高而增大，且10% 2.2.2催化剂的X射线衍射谱图 Mn/Ti02-Zr02(4:1)的转化率高于10%Mn/Ti02 图5为Ti02-Zr02(4:1)负载质量分数为5%、 Zr02(1:1)和10%Mn/TiO2.10%Mn/Ti02-Zr02(4:1) 10%、15%及20%的n后催化剂的X射线衍射谱 在100℃时催化N0的转化率为61.7%，130℃时为 图.对比载体TiO2-ZxO2(4:1)的X射线衍射谱图发 92.6%,150℃时为96.9%，200℃时为99.9%.结合扫 现，Mn/TiO2-ZrO2(4:1)中锐钛矿型TiO2的特征衍 描电镜可知，由于TiO2-Zr02(4:1)中Zr的加入改 射峰仍然向小角度偏移，但锐钛矿型TO2的衍射 善了载体颗粒分布以及催化剂上活性组分的分布， 峰强度有所降低，峰形出现轻微宽化，说明MOz 从而促进反应物与活性组分的接触，使得脱硝活性 和载体间发生了相互作用.5%负载量的X射线衍 提高 射谱图没有特别明显的变化，负载的MnOz并未 2.3.2Mn负载量对Mn/TiO2-Zr02(4:1)活性的影 改变载体的晶体结构，仍然只有锐钛矿型TO2的 响 特征衍射峰；10%负载量的X射线衍射谱图出现 测试不同负载量的Mn/TiO2-ZrO2(4:1)及载体
· 926 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 37.3◦、40.4◦、41.9◦、43.8◦、44.9◦ 等处出现了 ZrTiO4 的衍射峰 (JCPDS 34-415)，未发现单独的 TiO2 和 ZrO2 的衍射峰. 这是因为随着 TiO2 的晶格中掺 入 Zr4+ 的增多，锐钛矿 TiO2 晶型转变为连续性 固溶体 ZrTiO4. 据研究[11]ZrTiO4 具有较高的热稳 定性，大约在 600∼650 ℃形成，ZrTiO4 在较低温度 下形成可能是由于制备条件及前驱盐的不同. TiO2- ZrO2(4:1) 的 X 射线衍射谱相对于纯 TiO2 的 X 射 线衍射谱没有新峰产生，峰位都向小角度方向发生 了偏移，所有衍射峰的峰位都属于锐钛矿型 TiO2， 说明添加 Zr 后没有导致第二相的产生. 且衍射峰 出现轻微宽化，说明晶粒尺寸变小. 由于 Zr4+ 的有 效半径 (0.072 nm) 比 Ti4+ 的有效半径 (0.0605 nm) 大，Zr4+ 取代 Ti4+ 掺杂进入的 TiO2 晶格内，引起 TiO2 晶格畸变，使得晶格常数变大，可能导致晶格 缺陷. 鉴于 TiO2 的峰强大幅降低，金红石型特征峰 消失，说明 Zr 的掺杂抑制了 TiO2 的晶型转变，晶 粒增长受到抑制，形成的颗粒尺寸较小[14] . 图 4 TiO2、TiO2-ZrO2(1:1) 及 TiO2-ZrO2(4:1) 的 X 射线 衍射谱图 Fig.4 XRD patterns of TiO2, TiO2-ZrO2(1:1) and TiO2- ZrO2(4:1) 2.2.2 催化剂的 X 射线衍射谱图 图 5 为 TiO2-ZrO2(4:1) 负载质量分数为 5%、 10%、15%及 20%的 Mn 后催化剂的 X 射线衍射谱 图. 对比载体 TiO2-ZrO2(4:1) 的 X 射线衍射谱图发 现，Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 中锐钛矿型 TiO2 的特征衍 射峰仍然向小角度偏移，但锐钛矿型 TiO2 的衍射 峰强度有所降低，峰形出现轻微宽化，说明 MnOx 和载体间发生了相互作用. 5%负载量的 X 射线衍 射谱图没有特别明显的变化，负载的 MnOx 并未 改变载体的晶体结构，仍然只有锐钛矿型 TiO2 的 特征衍射峰；10%负载量的 X 射线衍射谱图出现 非常微弱的 Mn2O3 的衍射峰；15%负载量的 X 射 线衍射谱图在 2θ=17.9◦、28.9◦、32.6◦、44.5◦、57.9◦ 和 59.6◦ (JCPDS 6-540) 左右出现了 Mn2O3 的衍射 峰；负载量为 20%的 20%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 于上 述峰位出现了更加明显的 Mn2O3 特征衍射峰，说 明 MnOx 的负载量已超过了单层分散的阈值[15]，部 分 MnOx 呈现结晶态. 综上 10%的负载量可能接近 活性组分在载体上单层分散的阈值，MnOx 较好地 分散在载体表面. 图 5 不同 Mn 负载量下 Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 的 X 射线衍 射谱图 Fig.5 XRD patterns of Mn/TiO2-ZrO2(4:1) with different Mn loadings 2.3 催化剂的选择性催化还原活性测试结果 2.3.1 载体负载 Mn 后对其活性的影响 以载体 TiO2、TiO2-ZrO2(1:1)、TiO2-ZrO2(4:1) 分别负载 10%(质量分数) 的 Mn，于 500 ℃焙烧后得 到的催化剂进行活性测试，测试结果如图 6 所示. 由图 6 可知，在 100∼200 ℃的温度区间内，各催化 剂 NO 的转化率都随温度的升高而增大，且 10% Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 的转化率高于 10%Mn/TiO2- ZrO2(1:1) 和 10%Mn/TiO2. 10%Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 在 100 ℃时催化 NO 的转化率为 61.7%，130 ℃时为 92.6%，150 ℃时为 96.9%，200 ℃时为 99.9%. 结合扫 描电镜可知，由于 TiO2-ZrO2(4:1) 中 Zr 的加入改 善了载体颗粒分布以及催化剂上活性组分的分布， 从而促进反应物与活性组分的接触，使得脱硝活性 提高. 2.3.2 Mn 负载量对 Mn/TiO2-ZrO2 (4:1) 活性的影 响 测试不同负载量的 Mn/TiO2-ZrO2(4:1) 及载体