mohzsm-5催化剂上nh_3选择性催化还原no反应机理的密度泛函理论研究

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1、太原理工大学博士研究生学位论文Mo/HZSM-5催化剂上NH3选择性催化还原NO反应机理的密度泛函理论研究摘要机动车尾气污染已成为当今城市大气污染的主要来源。随着国民经济水平的不断提高和技术的不断进步，对环境的要求和人类健康保护的需求会不断得到提升，开发无毒、稳定、高效、环境友好、废物处理简单的新型非钒基催化剂以代替传统钒基催化剂用于机动车尾气脱硝净化已经成为一个迫切需要解决的问题。近年来，一些研究者着眼于MoOx对SCR反应的强促进作用，将MoOx改作为主活性组分进行研究并取得了较好的成果。本课题组前期开发的Mo/ZSM-5和Fe-M

2、o/ZSM-5催化剂通过实验研究得出在贫燃条件下具有较宽的温度窗口、优异的NH3-SCR催化活性以及寿命高、稳定性高等诸多优点，是目前所报道的NH3-SCR催化剂中一种性能优越的催化剂，具有较好的工业化应用前景。但是在理论研究方面，吸附物质与催化剂表面的作用关系及催化剂脱硝机理尚未明确，相关理论研究仍属空白。本文通过密度泛函理论的方法，在所构建的20T簇模型为代表的含有Lewis酸位的MoO2/HZSM-5、含有Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5、含有Lewis酸位的Mo2O5/HZSM-5以及含有Bronsted酸位的Mo2

3、O5/HZSM-5四种不同Mo/HZSM-5催化剂模型，系统地研究了表面的NH3选择性还原NO反应的催化机理，并得出以下主要结论：I太原理工大学博士研究生学位论文（1）四种模型上的反应物吸附研究均表明NH3的吸附稳定性远远高于NO的吸附，即NH3-SCR反应中首先发生NH3的吸附。另外，在相同的MoOx/HZSM-5表面，NH3吸附于Lewis酸位形成的NH3(ads)其稳定性要高+于吸附于Bronsted酸位形成的NH4。（2）在含有Lewis酸位的MoO2/HZSM-5表面，NH3-SCR反应更倾向于遵循NH3→NH3(ads)→N

4、H2(ads)→NH2NO(ads)→HNNOH(ads)→HNNOH(ads)-turn→N2的反应路径，其中控速步骤为HNNOH(ads)-turn+O*+O*H→N2(ads)+H2O(ads)+O*H+O*，其能垒为38.60kcal/mol。而在低温条件下，反应可能更倾向于遵循NH3→NH3(ads)→NH3(ads)+NO(ads)→NH2NO(ads)→HNNOH(ads)→HNNOH(ads)-turn→N2的反应路径，其中NO可以以N端吸附和O端吸附两种方式吸附于Lewis酸位，控速步骤均是NH3(ads)+NO(ad

5、s)→NH2NO(ads)，N端吸附方式的控速步骤能垒为43.03kcal/mol，O端吸附方式的控速步骤能垒为42.01kcal/mol，主要依靠NH3和NO分子吸附放出的热量来克服较大的能垒。两个反应历程的总反应能均为-67.16kcal/mol，含有Lewis酸位的MoO2/HZSM-5反应后转化为含有Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5。在含有Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5模++型表面，NH3-SCR反应遵循NH3→NH4→NH4+NO→NH3NHO(ads)→NH2NO(ads)→Mo-NH2NO(ads

6、)→HNNOH(ads)→HNNOH(ads)-turn→N2的反应路径。其中控速步骤为HNNOH(ads)→HNNOH(ads)-turn，能垒为34.94kcal/mol，总反应能为-45.49kcal/mol。含有Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5反应后转化为含有两个单独Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5。含有两个单独Bronsted酸位的MoO2/HZSM-5可以在O2的作用下氧化生成H2O，同时活II太原理工大学博士研究生学位论文性位转化为含有Lewis酸位的MoO2/HZSM-5。（3）在含有Lewis酸

7、位的Mo2O5/HZSM-5表面，NH3-SCR反应遵循NH3→NH3(ads)→NH3(ads)+NO(ads)→NH3NO(ads)→NH2NO(ads)→HNNOH(ads)→N2的反应路径。其中控速步骤为HNNOH(ads)+O*+O*H→N2(ads)+H2O(ads)+O*H+O*，其能垒为35.69kcal/mol，总反应能为-69.90kcal/mol。含有Lewis酸位的Mo2O5/HZSM-5反应后转化为含有Bronsted酸位的Mo2O5/HZSM-5。在含有Bronsted酸位的Mo2O5/HZSM-5表面，++

8、NH3-SCR反应遵循NH3→NH4→NH4+NO(ads)→NH2NO(ads)→HNNO(ads)→HNNOH(ads)→HNNOH(ads)-turn→N2的反应路径，其中NO以O端吸附的方式吸附于M