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崔丹等FCSE文章:低温常压下一氧化氮加氢催化合成氨(NO+H2——NH3)
发布时间:2023-10-06

氨(NH3)是重要的化工产品之一,世界每年合成氨的需求量约2.0亿吨左右,是氮肥、化工产品的重要原料。目前,合成氨主要采用哈伯-博施法(Haber‑Bosch Process),在Fe基催化剂作用下由氮气(N2)与氢气(H2)发生催化加氢反应合成氨。该方法在高温高压下完成,每年导致3亿吨碳排放,消耗的能源高达全世界能源总消耗的2%左右,迫切需要研发低能耗的合成氨新方法。


与此同时,全球烟气中含有大量的污染性气体氮氧化物(NOx),每年排放量约5000万吨。大量的NOx排放到大气中易于导致酸雨现象、光化学烟雾污染、破坏臭氧层等不良后果。目前,选择性催化还原(SCR)技术去除NO的脱硝效率高,是目前的主要脱硝技术之一。通常采用NH3作为还原剂,利用NH3-SCR将NO还原为N2,达到减少NOx排放的目的,但是需要消耗大量的NH3。 

图1. 合成氨与SCR脱硝的路线图


石河子大学碳中和与环境催化研究团队于锋教授(点击查看介绍)课题组等通过研究发现以NO为氮源,采用H2作为还原剂,在Fe基催化剂的作用下,不仅可以避免NH3的使用,而且还可以有效地合成NH3,并申请了相关专利(申请号:202210057987.5、202211473330.3)。其中,FeCu/TiO2作为NO加氢催化合成NH3催化剂,在350 ℃和常压下的NO转化率和NH3选择性分别为80.0%和97.7%。与传统的哈伯-博施法相比,这种方法具有以下优势:

(1)低能耗:该反应可以在低温低压下进行,无需高温高压的反应条件,可有效减少能源消耗;

(2)避免NH3的使用:传统的NH3-SCR脱硝方法需要消耗大量NH3作为还原剂,采用该方法可以用绿氢代替液氨,避免了NH3的使用;

(3)脱硝与合成氨的耦合:该方法采用NO加氢催化合成NH3的反应路径(即,NO氨化,NO ammoniation),与CO加氢催化制备CH4的反应路径(即,CO甲烷化,CO methanation)“异曲同工”,实现了脱硝与合成氨的耦合,为废弃的污染气体NO“变废为宝”制备NH3提供了新的途径。

图2. NO加氢催化合成NH3(即,NO氨化,NO ammoniation)。


图3. 催化剂的理化特征(a)XRD谱图、(b)EPR谱图、(c)N2吸附-解吸等温线和(d)BJH孔径分布曲线。


图4. 催化剂的XPS分析(a)Fe 2p、(b)Cu 2p、(c)O1s和(d)Ti 2p。


图5. 催化剂的性能测试(a)NO转化、(b)NH3选择性、(c)NH3浓度和(d)稳定性测试。


图6. 10Fe-8Cu/TiO2催化剂的原位红外谱图:(a)在不同温度下NO在催化剂上的吸附谱图和(b)在不同温度下NO+H2的共吸附谱图。


图7. 在10Fe/TiO2(黑色)和10Fe-8Cu/TiO2 (红色)催化剂表面:(a)*NO→*N+*O解离过程、(b) *NO+H→*NOH加氢过程和(c)*HNO→*NO+*H解离过程的能势和分子构型变化。


图8. 10Fe/TiO2(黑色)和10Fe-8Cu/TiO2(红色)表面NO形成NH3的路径图。


这一研究成果有望为合成氨工业的可持续发展开辟新的路径,并为解决能源消耗和环境污染等问题提供了新的解决方案。相关工作在期刊Frontiers of Chemical Science and Engineering(《化学科学与工程前沿》)上发表,共同第一作者石河子大学化学化工学院研究生崔丹李彦琴,通讯作者于锋教授。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

NO hydrogenation to NH3 over FeCu/TiO2 catalyst with improved activity

Dan Cui, Yanqin Li, Keke Pan, Jinbao Liu, Qiang Wang, Minmin Liu, Peng Cao, Jianming Dan, Bin Dai, Feng Yu*

Front. Chem. Sci. Eng., 2023, 17(12): 1973-1985. DOI: 10.1007/s11705-023-2364-2


导师介绍

于锋

https://www.x-mol.com/groups/yu_feng