【期刊】一种用于NVOCs选择性催化氧化的催化剂
The following article is from 环境前沿 Author FESE编辑部
提 要
N,N-二甲基甲酰胺（DMF）是一种常见的含氮挥发性有机物，通过选择性催化氧化技术，可将DMF转化为CO2、H2O和N2，从而实现挥发性有机物和氮氧化物的协同控制。本研究合成了不同CuO粒径的Cu-ZSM-5催化剂，对DMF进行选择性催化氧化，在300°C时N2选择性最高达到95%。进一步从晶体结构和理化性质解析了CuO粒径对催化剂催化活性和选择性的影响，指出游离Cu2+和酸性位点可能是控制氮选择性转化的重要活性位点。
图1 摘要图
研 究 概 览
本研究在H-ZSM-5沸石分子筛上负载CuO颗粒，合成了含有CuO粒径分别为3、6、9、12 nm的系列Cu-ZSM-5催化剂。对其催化活性评价实验表明各催化剂在350 °C时均可实现DMF的完全转化，且催化活性随CuO粒径的增加而增加；而N2选择性转化则随CuO粒径的增加而减小（图2）。综合比较，CuO粒径为6 nm （Cu-6 nm）的催化性能最佳，且在300°C时N2选择性高达到95%。
图2 在150–500 °C下，（a）DMF转化率 （b）CO选择性 （b）CO2选择性
CuO形态和化学吸附氧物种是催化剂活性和氧化还原性质的影响因素。本研究通过氢气程序升温还原（H2-TPR）测试，表明催化剂表面CuO团簇和本体CuO的形态和与载体的相互作用大小将显著影响其对DMF的催化氧化效果。X射线光电子能谱（XPS）表明，Cu-6nm中含有的游离Cu2+和本体CuO比例最高，Cu-12 nm催化剂的表面吸附氧/晶格氧比值高于其他催化剂（图3）。在催化氧化反应中，表面化学吸附氧比晶格氧更活跃，较多化学吸附氧有助于DMF催化氧化生成CO2和H2O，这与上述催化剂催化活性的变化趋势结果一致。
图3 系列Cu-ZSM-5催化剂的XPS光谱（a）Cu 2p和（b）O 1s
（Cu-12 nm、Cu-9 nm、Cu-6 nm和Cu-3 nm中数字分别代表CuO粒径）
通过氨的程序升温脱附（NH3-TPD）法测定CuZSM-5催化剂的酸性和酸性位分布，发现Cu-12 nm酸性更强且具有更多的酸性位点，由解吸温度判断酸性由弱到强的顺序为Cu-3 nm < Cu-6 nm < Cu-9 nm < Cu-12 nm （图4（a））。电子顺磁共振（EPR）结果表明，随着CuO粒径的增大，催化剂中游离Cu2+特征信号明显减弱（图4（b））。因此，游离Cu2+和酸性位点可能是控制氮选择性转化的重要活性位点。
图4 系列CuZSM-5催化剂的（a）程序升温脱附（TPD）和（b）
电子顺磁共振（EPR）结果（Cu-12 nm、Cu-9 nm、Cu-6 nm和Cu-3 nm中数字分别代表CuO粒径）
编 者 按
含氮挥发性有机物（NVOCs）是工业排放中的常见污染物，其氧化过程中二次污染物NOx的控制是难点之一。选择性催化氧化是一种极具前景的NVOCs降解方法，有望在较低的反应温度下实现NVOCs的高效降解，同时VOCs和NOx同时达标排放。本研究合成了不同CuO粒径的Cu-ZSM-5催化剂，通过评价其催化活性和选择性，结合系统性表征和计算研究了不同催化剂的晶体结构和理化性质，分析了催化剂的催化活性和选择性的影响因素。本研究成果为NVOCs选择氧化催化剂的设计开发提供一种新的思路。
文稿 | 顾梦瑶，北京林业大学
编者 | 梁 帅，北京林业大学，FESE青年编委
审校 | 张 姣
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本文内容来自FESE期刊2022年第16卷第10期发表的Research article文章 “Effect of Cu-ZSM-5 catalysts with different CuO particle size on selective catalytic oxidation of N,N-Dimethylformamide”。通讯作者为中国科学院大学程杰研究员。
引用格式：Xin Xing, Na Li, Dandan Liu, Jie Cheng, Zhengping Hao. Effect of Cu-ZSM-5 catalysts with different CuO particle size on selective catalytic oxidation of N,N-Dimethylformamide. Front. Environ. Sci. Eng., 2022, 16(10): 125
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