摘 要

随着工业的发展，严格控制NOx已迫在眉睫，目前烟气脱硝技术的难点在于开发活性温度低的催化剂。碳材料具有良好的孔隙结构、比表面积大、表面官能团丰富且化学稳定性高，适用于低温环境。因此，碳材料常被用作低温脱硝催化剂的载体。石墨烯（Graphene，GE）作为一种新型碳材料，具有多种优异性能，如大的理论比表面积、高的电子迁移率。将石墨烯与金属氧化物活性物质复合有利于电子在金属氧化物中不同空位之间的快速传输，提高催化反应速率。本文通过溶剂热法制备了石墨烯负载V₂O₅复合催化剂，显示出良好的低温脱硝性能，采用XRD、SEM、Raman等测试方法对其结构进行表征分析V₂O₅纳米颗粒的负载机理，基于结构分析数据对其结构与性能相关性进行了分析，得到一些研究结果如下：

1.利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基铵溴化物（CTAB）作为耦合剂，通过溶剂热反应使得V₂O₅纳米颗粒原位生长在石墨烯表面，获得石墨烯负载V₂O₅复合催化剂，其中V₂O₅纳米颗粒高度分散且粒度均匀；

2.利用固定床装置测试石墨烯负载V₂O₅复合催化剂在不同工况条件下的脱硝性能，结果表明复合催化剂在低温（220 ℃）下NO_x转换率达到74.6%，表现出良好的低温脱硝性能。主要是因为V₂O₅均匀负载在比表面积大的石墨烯载体上后增加了活性物质V₂O₅的分散度有利于气体吸附，从而提高了石墨烯负载V₂O₅复合催化剂的低温活性。

关键词：V₂O₅；石墨烯；低温脱硝

Abstract

With the development of industry, strict control of NOx is imminent, the current flue gas denitrification technology is difficult to develop low activity catalyst. Carbon material has a good pore structure, large surface area, rich surface functional groups and high chemical stability, suitable for low temperature environment. Thus, carbon materials are often used as carriers for low temperature denitration catalysts. Graphene (GE) as a new type of carbon material, with a variety of excellent properties, such as large theoretical specific surface area, high electron mobility. The combination of graphene and metal oxide active material facilitates the rapid transmission of electrons between different vacancies in metal oxides and improves the rate of catalytic reaction. In this paper, the gravimetric V₂O₅ composite catalyst was prepared by solvothermal method, and the low temperature denitrification performance was demonstrated. The structure of V₂O₅ nanoparticles was characterized by XRD, SEM and Raman. The structure of V₂O₅ nanoparticles was characterized by structural analysis. Structure and performance correlation were analyzed, some research results are as follows:

1.V₂O₅ nanoparticles were grown on the surface of graphene by solvothermal reaction using cationic surfactant cetyltrimethy lammonium bromide (CTAB) as the coupling agent to obtain graphene-supported V₂O₅ composite catalyst, in which V₂O₅ The nanoparticles are highly dispersed and uniform in particle size.

2.The results show that the NOx conversion rate of the composite catalyst is 74.6% at low temperature (220 ℃), and it shows good low temperature denitrification performance by using the fixed bed device to test the denitrification performance of the graphene supported V₂O₅ composite catalyst under different working conditions. Mainly because V₂O₅ is uniformly supported on the graphene support with larger surface area, the dispersion of the active material V₂O₅ is favorable for the gas adsorption, which improves the low temperature activity of the graphene-supported V₂O₅ composite catalyst.

Key Words: V₂O₅; Graphene; Low temperature denitrification;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氨气选择性催化还原技术的原理 1

1.3 SCR催化剂的种类 2

1.3.1 贵金属催化剂 2

1.3.2 金属氧化物催化剂 2

1.3.3 分子筛催化剂 2

1.3.4 碳基催化剂 2

1.4 石墨烯的性质及制备方法 3

1.4.1 石墨烯结构的性质 3

1.4.2 石墨烯的制备方法 3

1.5 论文研究目的及主要研究内容 4

第2章 石墨烯负载V₂O₅催化剂的制备与表征方法 6

2.1 实验药品与仪器 6

2.1.1 实验药品 6

2.1.2 实验仪器 6

2.2 石墨烯负载V₂O₅催化剂的制备 7

2.2.1 氧化石墨烯的制备 7

2.2.2 石墨烯负载V₂O₅催化剂催化剂的制备 8

2.3结构表征方法 9

2.3.1 物相结构分析 9

2.3.2 谱学分析 9

2.3.3 显微结构分析 9

2.3.4 热分析 10

2.4 脱硝性能测试方法 10

第3章 石墨烯负载V₂O₅催化剂的结构与低温脱硝性能 12

3.1 石墨烯负载V₂O₅催化剂结构与生长机理分析 12

3.1.1 氧化石墨烯的结构分析 12

3.1.2石墨烯负载V₂O₅催化剂的结构分析 13

3.1.3 石墨烯负载V₂O₅催化剂的合成机理分析 18

3.2 石墨烯负载V₂O₅催化剂的脱硝性能 18

3.2.1 反应温度对NO脱除率的影响 18

3.2.2 空速比对NO脱除率的影响 19

第4章 结论与展望 21

4.1结论 21

4.2展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

光氮氧化物不仅可以直接刺激人体器官，危害人体健康，而且可以形成硝酸型酸雨，阻碍农林业发展，破坏生态环境，也能形成光化学烟雾，加剧雾霾污染^[1]。选择性催化还原（SCR）方法旨在使用还原剂如NH₃将烟气中的NO_x还原为N₂;该反应必须控制在一定温度与一定量的氧含量条件下，并使用特定的催化剂。用于该方法的最成熟的商业催化剂是V₂O₅/TiO₂，该催化剂的活化温度在350-400 ℃之间，低于这个温度区间，催化活性大大降低，高于这个温度区间，温度太高则会产生其他副反应生成N₂O，造成二次污染。在300℃-400℃这个温度区间，目前工业上有两种可行的方法，一种是直接将 SCR装置置于锅炉或者静电除尘装置之后，另一种是放置在静电除尘和脱硫装置之后，但是在 SCR装置前要加上加热装置，将烟气加热到300℃-400℃。前者无法避免高浓度的灰尘或者高浓度的SO₂气体对催化剂的损害和造成催化剂中毒而失去催化活性。后者虽然保护了催化剂，但是二次加热大大增加了能耗，增加了成本，得不偿失。目前，对具有低温脱硝活性的催化剂的研究还比较少，研究具有高效低温脱硝活性的催化剂具有重要意义^[2][3]。

1.2 氨气选择性催化还原技术的原理

氨气选择性催化还原（NH₃-SCR）技术是旨在使用还原剂如NH₃将烟气中的NOx还原为N₂和H₂O。在催化剂的作用下，向烟气中通入一定比例的NH₃，NH₃和NO_x反应生成N₂和H₂O.主要反应方程如下：

因为工业排放烟气中NO_x主要成分是NO，且温度在350 ℃-400 ℃，故认为第一个反应式为主要反应式。所以通入NH₃/NO的摩尔比为1:1反应最佳^[4][5]。