摘 要

氮氧化物（NO_X）是主要的大气污染源之一，开发适合我国国情的脱硝技术对促进我国的环保工作有着非常重要的意义。如今最主要的一个方法就是利用选择性催化还原法（SCR）将氮氧化物还原成无污染的N₂和H₂O，而这个方法的关键就是催化还原剂。目前商业应用的SCR催化剂是钒钛催化剂，其活性温度在370~430 ℃之间，研究开发可应用与除尘器之后的低温SCR催化剂是非常有必要的。本论文主要研究了石墨烯掺杂钒钛催化剂的制备技术。实验应用Hummers法制备氧化石墨烯，以P25粉作为钛源通过水热法合成TiO₂-GE复合载体，用超声浸渍法负载活性组分V₂O₅得到V₂O₅-TiO₂/GE复合材料。再通过各种测试方法对制备好的样品进行物相与形貌表征，来研究一种形貌和结构比较好的石墨烯复合钒钛脱硝催化剂的制备方法。

研究结果表明：（1）本文通过三步法制备了V₂O₅-TiO₂/GE催化剂，并应用各种测试方法对实验各阶段制备的样品进行物相、形貌以及成分的表征，发现TiO₂中的O与石墨烯中的C存在化学作用，这有利于反应中电子的转移，从而提高低温催化活性；（2）V₂O₅负载到TiO₂颗粒表面是它们表面的OH官能团发生脱水反应形成Ti-O-V键的结果。这有利于反应中晶格氧的互换和电子的转移效率，可加快SCR反应速度，提高催化活性。（3）通过研究不同V₂O₅掺入量对复合催化剂的物相及形貌的影响，发现当V₂O₅的掺入量在10 wt%左右时能V₂O₅达到一个比较好的分散效果，有利于提高复合催化剂的氧化还原活性。

关键词：石墨烯；钒钛催化剂；复合机理；

Abstract

Nitrogen oxides (NO_X) is one of the main source of air pollution, the development of China's national conditions denitration technology to promote China's environmental protection work has a very important significance. Nowadays, the main denitration method is to use a selective catalytic reduction (SCR) to reduce nitrogen oxides into non-polluting N₂ and H₂O, and the key of this method is the catalytic reducing agent. Currently SCR catalyst of commercial application is the vanadium and titanium catalyst, its activation temperature is between 370 ℃ in 430 ℃. It is necessary to research and develop low-temperature SCR catalyst which can be applied to the back of dust collector. This paper meanly researched the preparation technology of V₂O₅-TiO₂/GE catalyst. TiO₂-graphene (TiO₂-GE) nanocomposites were prepared by the hydrothermal method with P25 powder and GO, which is prepared by Hummers method. And loading the active component V₂O₅ by ultrasonic impregnation method, V₂O₅-TiO₂/GE composites are obtained. Then by studying prepared samples’ physical characterization and phase morphology by the various test methods, the preparation method of V₂O₅-TiO₂/GE catalyst can be got.

The results show that: (1) V₂O₅-TiO₂ / GE catalyst was prepared by three-step in this paper. The characterization, morphology and composition of these samples were analysis by using a variety of testing methods. It was found that O of the TiO₂ and C of graphene have chemical interaction, which facilitates electron transfer efficiency for the SCR reaction. Therefore the low-temperature catalytic activity of catalytic is improved; (2) V₂O₅ can be loaded onto the surface of TiO₂ particles is because that the Ti-O-V key is formed by the dehydration reaction between OH surface functional groups. It is beneficial to the interchange of lattice oxygen and the efficiency of electron transfer in SCR reaction, and it can improve the reaction rate and the catalytic activity; (3) by studying the impacts of different V₂O₅ incorporation to the phase and the morphology of the composite catalyst, it was found that when the incorporation of V₂O₅ reach about 10 wt%, it can get a relatively good dispersion. It is beneficial to improve the redox performance of the composite catalyst.

Key Words：Graphene; Vanadium-titanium catalyst; Composite theory;

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 NO_X控制技术 1

1.2.1 选择性非催化还原法 2

1.2.2 选择性催化还原法 2

1.3 低温SCR催化剂的研究现状 3

1.3.1 低温SCR催化剂的分类 3

1.3.2 低温钒钛催化剂 4

1.4 课题研究的目的与内容 5

1.4.1 研究思路与目的 5

1.4.2研究内容 6

第2章石墨烯复合钒钛脱硝催化剂的制备 7

2.1 引言 7

2.2 石墨烯复合钒钛脱硝催化剂的制备 7

2.2.1 实验仪器及试剂 7

2.2.2 Hummers法制备氧化石墨烯 8

2.2.3 TiO₂/GE复合载体的制备 10

2.2.4 V₂O₅-TiO₂/GE复合催化剂的制备 11

2.3 结构表征方法 12

2.3.1 物相分析 12

2.3.2 显微结构分析 13

2.3.3 谱学分析 13

2.3.4 光电子能谱分析 14

第3章石墨烯复合钒钛脱硝催化剂的结构分析 15

3.1 氧化石墨烯的结构分析 15

3.2 TiO₂/GE复合载体的结构与复合机理分析 16

3.2.1 TiO₂/GE复合载体的结构分析 16

3.2.2 TiO₂/GE的复合机理分析 18

3.3 V₂O₅-TiO₂/GE复合催化剂的结构分析 23

3.3.1 V₂O₅-TiO₂/GE催化剂的结构分析 23

3.3.2不同V₂O₅负载量对复合催化剂结构的影响 25

3.3.3 V₂O₅-TiO₂/GE催化剂的复合机理分析 28

第4章结论与展望 30

4.1 主要结论 30

4.2 展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 引言

工业燃料燃烧所产生的废气中包含大量的氮氧化物（NO_X），它是主要的大气污染源之一。NO_X的存在形式有N₂O、NO、NO₂、N₂O₃和N₂O₅等，其中工业废气中NO的含量占总NO_X含量的95%左右，其它形式的氮氧化物含量非常少^[1]。NO如果排放到大气当中会被氧气氧化成NO₂，而NO₂是具有毒性的。并且这些氮氧化物如果大量排放到空气中将会加深目前存在的一系列包括酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏和温室效应等的环境问题，所以NO_X的治理已经成为一个亟待解决的全球性问题。

因为经济发展的需求，我国的烟气脱硝技术研究起步比较晚，相对于世界上的一些发达国家和发达地区，NO_X控制技术相对比较落后。但近些年来，工业烟气脱硝问题已经越来越受到我国的重视，我国制定和颁布了一系列环保政策用来严格控制工业上NO_X的排放标准。不过要从根本上长期的降低工业废气中NO_X的排放量，最重要的是对烟气脱硝技术的革新。所以对已有的催化剂进行更加深刻的改性，制备出更加高效的脱硝催化剂，对NO_X的减排、经济的发展和环境的保护具有非常重大的现实意义^[2-3]。

1.2 NO_X控制技术

当前对烟气中NO_X排放量的控制主要是从两个方面进行，分别是燃料燃烧中控制和燃烧后烟气的控制。