解析C?H?在Fe-Beta催化剂上引发的性能变化及其对NH?-SCR反应中HCN生成的影响

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Unraveling the C 3H 6-induced Performance Changes and HCN formation over Fe-Beta Catalyst in the NH 3-SCR Reaction

Fe基沸石催化剂在C3H6共存下呈现低温活性下降（碳沉积阻塞活性位点）和高温竞争氨氧化副反应（生成HCN）的双重效应，经热再生后活性恢复并增强，因Fe3+物种抑制非选择性氧化。

　　

余孙|张同良|江明辉|夏雪|丁文清|单新月|刘静静|史晓燕|单玉龙|于云波|何洪

中国科学院生态环境科学研究中心大气环境与污染控制实验室，北京 100085，中国

摘要

基于铁的沸石催化剂在NH₃-SCR反应过程中表现出较低的N₂O生成量，被认为是柴油车满足未来N₂O排放标准的有希望的候选材料。然而，柴油尾气中存在轻质烃（HCs），尤其是C₃H₆，显著影响了基于铁的沸石催化剂的性能，而C₃H₆影响的潜在机制仍不清楚。本研究全面探讨了C₃H₆对基于铁的沸石催化剂的影响。结果表明，碳质物种的沉积主要导致低温（<275 °C）下的活性降低。更重要的是，在中高温下会发生竞争性的C₃H₆氨氧化副反应，与NH₃-SCR反应所需的NH₃发生竞争。这不仅降低了SCR活性，还产生了高毒性的HCN，对环境和人类健康构成威胁。值得注意的是，C₃H₆对Fe-Beta催化剂性能的影响是可逆的。热再生不仅恢复了催化剂的活性，还提高了其在高温下的性能。这种改善归因于再生催化剂上Fe_xO_y向Fe³⁺物种的转化，从而抑制了非选择性的NH₃氧化反应。

引言

柴油车排放的氮氧化物（NO_x）对空气污染有显著影响，对环境和人类健康造成严重影响[1]、[2]。氨选择性催化还原（NH₃-SCR）是减少柴油车NO_x排放的主要技术[3]。

N₂O是一种重要的温室气体，其全球变暖潜能值（GWP）约为CO₂的300倍。近年来，控制N₂O排放已成为研究重点

催化剂制备

本研究中使用了商业化的富铝H-Beta沸石（中国南海催化剂公司生产），使用前将其在600 ℃下煅烧6小时以去除杂质。采用浸渍法制备Fe-Beta催化剂，具体步骤如下：将上述H-beta催化剂悬浮在一定浓度的硝酸铁溶液中，在80 ℃下搅拌5小时。随后通过旋转蒸发法蒸发溶液，然后干燥

C₃H₆共存对NH₃-SCR性能和HCN生成的影响

为了确定C₃H₆对Fe-Beta催化剂的影响，在不同浓度的C₃H₆存在下进行了一系列NH₃-SCR活性测试。如图1a所示，新鲜催化剂在较宽的NO转化范围内表现出优异的性能。由于NH₃-SCR反应中NO和NH₃的化学计量比为1:1，因此在600 ℃之前NH₃的转化率与NO的转化率基本相等，之后非选择性的NH₃氧化副反应显著增加

结论

总之，C₃H₆的存在会导致碳质物种在Fe-Beta催化剂上沉积，从而阻塞活性位点并降低低温（<275 °C）下的活性。此外，在中高温下会发生竞争性的C₃H₆氨氧化副反应，与NH₃-SCR反应所需的还原剂NH₃发生竞争。这导致活性降低并产生高毒性的HCN。然而，Fe-Beta催化剂上的碳质物种沉积

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更多实验数据见补充信息。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFC3714400）、国家自然科学基金（编号22306191）、京津冀区域环境综合治理-国家重点科技项目（编号2025ZD1202500）以及国家节能与低碳材料生产与应用示范平台计划（编号TC220H06N）的财政支持。

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