氮氧化物（NOx）是一类重要的大气污染物，可以引发酸雨、灰霾、光化学烟雾等一系列大气污染问题，严重危害生态环境和人类健康。人类活动产生的NOx主要来源于燃煤电厂等固定源和柴油车等移动源的燃烧排放。氨选择性催化还原氮氧化物（NH3-SCR）是去除固定源和移动源NOx的主流技术，最为经典的NH3-SCR催化剂体系是钒基催化剂。虽然高钒负载量可以提高钒基催化剂的低温活性，但是高钒催化剂具有较强的催化SO2转化为SO3活性，且钒氧化物具有生物毒性，因此开发低钒负载量、且具有优异低温活性的新型钒基催化剂是目前NH3-SCR技术应用的迫切需求。
钒基催化剂上钒物种的存在形式主要包括单体钒氧物种、低聚合态钒氧物种，以及结晶态V2O5。一般认为表面分散的钒物种（单体和低聚合态）是NH3-SCR反应的活性位点，因此表面分散物种受到广泛的关注和研究。在低比表面积或者高负载量的钒基催化剂上会存在结晶态V2O5，但是迄今为止并没有太多针对结晶态钒物种的研究，也并不清楚其在NH3-SCR反应中的作用。深入研究结晶态钒物种有助于更好地理解钒基催化剂，进一步指导高效钒基催化剂的开发。
近日，贺泓院士团队（中国科学院城市环境研究所、生态环境研究中心）和李剑锋团队（厦门大学）在钒基催化剂应用于NH3-SCR研究方面取得重要进展。通过对TiO2载体进行高温预处理然后再负载钒，可以在低钒负载量催化剂上形成结晶态V2O5。令人惊讶的是，含有大量结晶态V2O5的催化剂，比具有相同钒负载量但是钒物种表面分散的催化剂，显示出更为优异的低温NH3-SCR活性。通过原位拉曼表征手段研究了真实反应条件下钒基催化剂上钒物种的结构，发现在NH3吸附条件下，低钒催化剂上结晶态V2O5能够扩散转化为高活性低聚合态钒氧物种。DFT理论计算表明NH3在低聚合态钒物种和结晶态V2O5上的吸附能不同，因此NH3的存在促进了结晶态物种的转变。低钒催化剂上结晶态V2O5在NH3-SCR反应中原位转化为高活性反应物种，显著提高了低温催化性能。本研究的结论对理解钒基金属氧化物催化剂的构效关系及高效NH3-SCR催化剂的设计开发和工业应用具有重要意义。 |
