氮氧化物（NOx）是大氣環境中一種常見污染物，嚴重危害著環境和人類健康。氨氣選擇性催化還原法（NH3-SCR）是現時最有效的固定源氮氧化物的减排科技，其覈心是脫硝催化劑。商用V2O5-WO3/TiO2（VWTi）催化劑是現時運用最廣泛的脫硝催化劑，具有脫硝活性高、熱穩定性强且N2選擇性高等優點，但在複雜煙氣的條件下長期運行後，VWTi催化劑會受煙氣中一些化學組分（如鹼金屬和重金屬等）的影響而中毒失活。囙此，為了延長商用脫硝催化劑的使用壽命，有必要對V2O5-WO3/TiO2催化劑進行改性以提高其脫硝效率和抗中毒能力。現時已經報導的關於改性V2O5-WO3/TiO2催化劑獲得高抗中毒能力的研究已取得了一定的成果。但在改性手段上較為單一，抗中毒效能上仍存在提升空間，在脫硝和抗中毒機制方面仍有一些需要深入探索的問題。而且已有的抗中毒改性主要針對單一元素的中毒，關於多元素複合中毒的抗性研究相對較少。
本文採用浸漬法製備了鐵-鈰氧化物共同改性的V2O5-WO3/TiO2催化劑。當Fe/V與Ce/V的摩爾比分別為0.05和1.5時，改性催化劑（簡寫為FeCeVWTi）的脫硝效率最高，並具有高效的抗K和Pb中毒的能力以及優异的抗H2O和SO2的能力。在K-Pb中毒後，FeCeVWTi催化劑在350℃下的NOx轉化率為92.7%，遠高於VWTi催化劑（70.6%）。研究發現，VWTi催化劑上的SCR反應遵循Eley-Rideal（E-R）機理。K和Pb中毒嚴重破壞了其酸性位點和氧化還原位點，而兩者在SCR反應中起著關鍵作用，因而導致其SCR活性降低。而鐵-鈰氧化物共同改性使得Fe、Ce和V之間相互作用形成了氧化還原迴圈，新增了FeCeVWTi催化劑表面的V5+和表面化學吸附氧含量，較大幅度提高了催化劑的氧化還原能力，增强了NO的氧化和吸附，使得FeCeVWTi催化劑同時遵循E-R機理和Langmuir-Hinshelwood（L-H）機理。囙此雖然鐵-鈰氧化物共同改性略微降低了催化劑的表面酸性，但仍然新增了催化劑的NH3-SCR活性。雖然FeCeVWTi催化劑在K-Pb中毒後表面的酸性位點被較大程度地破壞了，但其氧化還原能力被破壞的程度相對較小。因而，在K和Pb中毒後FeCeVWTi催化劑仍保留了較强的氧化還原能力和NOx的吸附效能，從而在一定程度上維持了遵循L-H機理的SCR反應活性，具有優於VWTi催化劑的抗中毒能力。本文採用鐵-鈰氧化物共同改性商用V2O5-WO3/TiO2脫硝催化劑，顯著提高了其脫硝效率以及抗K和Pb複合中毒的能力，並探究了催化劑的脫硝效率和抗中毒能力增强的原因，闡釋了改性催化劑可能的脫硝機理和抗中毒機制。這為商用SCR脫硝催化劑的抗中毒改性和配方設計提供了一定的理論指導。
該研究成果以Promotional effect of Fe and Ce co-doping on a V2O5–WO3/TiO2catalyst for SCR of NOxwith high K and Pb resistance為題發表在Catalysis Science & Technology上（DOI:10.1039/d2cy00818a），中國科學院城市環境研究所易顯芳碩士生為第一作者，中國科學院城市環境研究所陳進生研究員和王金秀副研究員為共同通訊作者。該研究得到中國科學院B類先導科技專項培育項目（XDPB1902）、福建省社會發展引導性（重點）項目（2020Y0085）和中國科學院青年創新促進會（2020309）的資助。
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圖1 K和Pb複合中毒的VWTi和FeCeVWTi催化劑的（a）NOx轉化率和（b）NO+O2程式升溫脫附曲線
