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探索FE-Ti尖晶石低温SCR性能提升路径：从理论到实践

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化的快速发展，能源消耗急剧增加，大气污染问题愈发严峻。其中，氮氧化物（NOx）作为大气污染物的主要成分之一，对生态环境和人类健康造成了严重危害。NOx不仅是形成酸雨、光化学烟雾和雾霾的关键前体物，还会参与复杂的大气化学反应，生成强毒性产物，如硝基多环芳烃等，严重威胁人体健康，可导致呼吸系统、心血管系统等多种疾病。此外，NOx排放还会影响农作物产量和生态系统平衡，损害植物叶片，干扰光合作用和养分吸收。因此，有效控制NOx排放已成为全球环境保护领域的重要任务。

选择性催化还原（SCR）脱硝技术作为目前工业上应用最为广泛的烟气脱硝方法，通过在催化剂的作用下，利用还原剂（如氨或尿素）将NOx还原为无害的氮气和水，具有脱硝效率高、可靠性强等优点。然而，传统的SCR脱硝技术通常需要在较高温度（300-400℃）下运行，这限制了其在一些低温烟气场景中的应用，如钢铁、玻璃建材等非电力行业，这些行业的烟气温度往往较低（如钢铁烧结/球团烟温120-180℃、日用玻璃炉窑烟温180-240℃）。为了满足这些低温烟气脱硝的需求，开发具有高活性和选择性的低温SCR催化剂成为研究的重点和热点。

FE-Ti尖晶石作为一种潜在的低温SCR催化剂材料，具有独特的晶体结构和物理化学性质，在低温脱硝领域展现出一定的应用潜力。尖晶石结构中氧离子形成立方密堆积，金属阳离子分布在四面体和八面体间隙位置，这种结构赋予了材料良好的化学稳定性和结构稳定性。同时，FE-Ti尖晶石中Fe和Ti元素的协同作用，可能对催化剂的活性和选择性产生积极影响。然而，目前FE-Ti尖晶石在低温SCR性能方面仍存在一些不足，如低温活性不够高、抗水抗硫性能较差等，限制了其实际应用。

因此，对FE-Ti尖晶石低温SCR性能的改进研究具有重要的现实意义。通过优化FE-Ti尖晶石的结构和性能，提高其在低温条件下的脱硝活性和选择性，增强抗水抗硫性能，不仅可以为低温SCR脱硝技术提供更高效、稳定的催化剂材料，推动该技术在更多领域的应用，还有助于减少NOx排放，改善大气环境质量，保护生态系统和人类健康。此外，这一研究也有助于深入理解尖晶石结构催化剂的脱硝机理，为新型催化剂的设计和开发提供理论基础，促进催化领域的科学发展。

1.2国内外研究现状

在国外，对于FE-Ti尖晶石在低温SCR领域的研究开展较早。部分研究聚焦于通过优化制备工艺来提升其催化性能。例如，采用溶胶-凝胶法制备FE-Ti尖晶石，通过精确控制原料配比、反应温度和时间等条件，使得尖晶石的晶体结构更加规整，从而提高了其在低温下对NOx的吸附和活化能力。有学者利用共沉淀法制备FE-Ti尖晶石催化剂，深入探究了不同沉淀剂和沉淀条件对催化剂晶体结构、比表面积以及低温SCR性能的影响，发现合适的沉淀条件可以增大催化剂的比表面积，提供更多的活性位点，进而提升低温脱硝活性。

在掺杂改性方面，国外学者进行了大量探索。研究发现，在FE-Ti尖晶石中引入稀土元素（如Ce、La等），可以显著改善催化剂的氧化还原性能和热稳定性。Ce的掺杂能够增加催化剂表面的氧空位浓度，促进活性氧的迁移和反应，从而提高低温SCR活性；La的加入则有助于稳定尖晶石结构，抑制高温下晶粒的长大，增强催化剂的稳定性。此外，过渡金属（如Mn、Cu、Co等）的掺杂也受到关注，不同过渡金属的掺杂会对FE-Ti尖晶石的电子结构和酸性产生不同影响，进而影响其对NH3和NOx的吸附与活化能力。

在国内，FE-Ti尖晶石低温SCR性能的研究也取得了一定进展。一些研究侧重于开发新的复合催化剂体系，将FE-Ti尖晶石与其他材料（如分子筛、碳纳米材料等）复合，以综合两者的优势。将FE-Ti尖晶石负载在具有高比表面积和良好孔道结构的分子筛上，分子筛的孔道结构有利于反应物的扩散和传输，而FE-Ti尖晶石则提供催化活性位点，两者协同作用，提高了催化剂的低温活性和抗水抗硫性能。有研究将FE-Ti尖晶石与碳纳米管复合，碳纳米管良好的导电性和电子传输能力有助于促进电子转移，增强催化剂的氧化还原性能。

同时，国内学者也在深入研究FE-Ti尖晶石的脱硝机理。通过原位红外光谱、X射线光电子能谱（XPS）等先进表征技术，详细分析了催化剂表面的吸附物种、反应中间体以及反应路径。研究发现，在低温SCR反应中，NH3主要以化学吸附的形式存在于催化剂表面的酸性位点上，而