一种Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于超低温末端脱硝领域，具体涉及一种Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

作为主要的大气污染物之一，氮氧化物(NO

近些年，以活性炭为代表的多功能炭基多孔材料由于具有发达的孔隙结构、高的比表面积、丰富的表面的官能团和来源广泛被应用到环境治理领域。活性炭干法烟气脱硫脱硝技术已被应用于非电行业烟气治理。但是，相对较低的低温、超低温SCR活性限制了其进一步的工业化应用。因此，亟需开发新型的高SCR活性的炭基催化剂以期进一步促进其工业化应用。

Fe具有较强的低温电子交换能力且来源广泛等原因已成为低温、超低温段催化剂研究的热点。专利CN103506121A公开了一种碳纳米管负载铁的低温脱硝催化剂具有良好的低温脱硝活性。此外，在碳原子骨架中掺杂N不但可以调控碳材料表面的电子结构和缺陷，改善碳表面的化学特性，增强催化剂的低温脱硝催化活性，而且可以形成Fe-N

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种通过原位合成新型Fe-N-C低温、超低温脱硝催化剂的制备方法，开发的催化剂具有SCR活性高、高效和稳定等特点，其有望促进炭基材料的进一步工业化应用和推动非电行业超低排放的改造。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：将炭黑用盐酸酸洗后，清洗至中性并烘干，接着在硝酸中冷凝回流，再次清洗至中性并烘干，得到纯化后的炭黑；

步骤2：将苯胺、氮源和铁盐混合溶解于盐酸中，再加入过硫酸铵溶液和纯化炭黑悬浮液，搅拌并反应，经过滤、清洗、烘干，得到催化剂前驱体；

步骤3：将催化剂前驱体进行煅烧、酸洗、干燥和再煅烧，得到所述Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂。

作为优选，所述步骤1中盐酸的浓度为0.5～1mol/L，冷凝回流的温度为70～85℃，时间为6～12h。

作为优选，所述步骤2中的反应温度为5～10℃。

作为优选，所述步骤2中盐酸的浓度为1～2mol/L，过硫酸铵溶液的浓度为200～300mg/mL，纯化炭黑悬浮液的浓度为5～20mg/mL。

作为优选，所述步骤2中苯胺与纯化炭黑的质量比为7.5～15，苯胺与过硫酸铵的质量比为0.6。

作为优选，所述步骤2中氮源包括但不限于尿素、三聚氰胺、单氰氨和尼卡巴嗪，铁盐包括但不限于三氯化铁、硫酸高铁胺、硝酸铁。

作为优选，所述步骤2中苯胺与氮源的质量比为0.15～0.43，苯胺与铁盐的质量比为0.21～0.36。

作为优选，所述步骤3中煅烧的条件为：升温速率为5～10℃/min，温度为800～900℃，时间为1～2h；酸洗的条件为：用1～2mol/L硫酸在70～85℃下冷凝回流6～12h。

第二方面，本发明提供前述的方法制备得到的Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂。

第三方面，本发明提供前述的脱硫脱硝活性炭在脱硝中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明开发了一种新型超低温SCR脱硝催化剂，利用廉价易得的原料以简单的制备方法得到Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂，易于实现工业化生产。本发明催化剂中的金属活性组分与氮元素形成配位键，并且被碳结构包覆，不易脱落失活，在30～120℃下具有良好的脱硝效率，具有极高的市场前景和实际利用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1的催化剂在空速为4000h

图2为本发明实施例1的催化剂在空速为4000h

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。

实施例1

一种Fe-N-C超低温SCR催化剂的制备方法包括如下步骤：

1.聚苯胺/炭材料复合物的制备：

将炭黑用浓度为0.5mol/L的盐酸酸洗后用去离子水清洗到pH为中性，然后过滤干燥，用硝酸在85℃下冷凝回流8h，随后清洗样品的pH至中性，过滤干燥后得到纯化后的炭黑；将纯化后的炭黑超声分散到水中后，得到浓度为8mg/mL的纯化炭黑悬浮液；

将6g的苯胺、16.6g的三氯化铁、20g的尿素在浓度为1mol/L的盐酸中混合后，加入50mL浓度为200mg/mL的过硫酸铵作为引发剂，再加入50mL的纯化炭黑悬浮液，于10℃下，搅拌并反应48h后，用去离子水清洗到pH为中性，过滤干燥得到聚苯胺/炭材料复合物。

2.催化剂的制备：

将上述聚苯胺/炭材料复合物在氮气气氛中900℃煅烧1h，在2mol/L的硫酸中80℃酸洗8h，经洗涤、干燥后，进行第二次煅烧(煅烧条件同第一次煅烧)，得到Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂。

实施例2

一种Fe-N-C超低温SCR催化剂的制备方法包括如下步骤：

1.聚苯胺/炭材料复合物的制备：

将炭黑用浓度为0.5mol/L的盐酸酸洗后用去离子水清洗到pH为中性，然后过滤干燥，用硝酸在85℃下冷凝回流8h，随后清洗样品的pH至中性，过滤干燥后得到纯化后的炭黑；将纯化后的炭黑超声分散到水中后，得到浓度为8mg/mL的纯化炭黑悬浮液；

将6g的苯胺、22.4g的硝酸铁、14g的单氰胺在浓度为1mol/L的盐酸中混合后，加入50mL浓度为200mg/mL的过硫酸铵作为引发剂，再加入50mL的纯化炭黑悬浮液，于10℃下，搅拌并反应48h后，用去离子水清洗到pH为中性，过滤干燥得到聚苯胺/炭材料复合物。

2.催化剂的制备：

将上述聚苯胺/炭材料复合物在氮气气氛中900℃煅烧1h，在2mol/L的硫酸中80℃酸洗8h，经洗涤、干燥后，进行第二次煅烧(煅烧条件同第一次煅烧)，得到Fe-N-C超低温SCR脱硝催化剂。

实施例3

将实施例1制得的催化剂放入立式石英管在如下模拟气氛下进行脱硝测试，模拟气氛组成a.500ppm NO，500ppm NH

通过如下公式计算得到催化剂在不同温度下的脱硝率：

η＝(C

由图1可知，Fe-N-C超低温SCR催化剂的脱硝活性随温度的升高呈降低的趋势。由30℃的99％降低至120℃的59.6％后再降低至28.6％(150℃)，证明该催化剂在超低温段具有较高的脱硝活性(50％以上)。图2说明在30℃时该催化剂具有较好的抗硫性。综上，本发明提供的催化剂具有优异的超低温脱硝活性和良好的抗硫性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。