研究人員創造了一種新的鎢替代氧化釩的催化劑

來自東京都立大學的研究人員創造了一種新的鎢（W）替代的氧化釩催化劑，用於分解工業廢氣中有害的氮氧化物。他們的新催化材料能在較低的溫度下工作，並且在處理“濕”廢氣時不會出現性能的嚴重下降，解決了傳統釩催化的一個主要缺陷。研究人員還發現，原始晶體結構中原子鎢的非聚集性分散在其功能上起著關鍵作用。

圖片來源：東京都立大學

選擇性催化還原（SCR）是保持空氣清潔的一項重要技術。工業廢氣通過催化裝置並與還原劑反應，將有害的氮氧化物轉化為氮氣和水。高水準的氮氧化物不僅危害農作物和植被，而且會直接危害人類，加劇哮喘和其他呼吸道問題。這使得選擇性催化還原技術的廣泛、高效部署對社會尤為重要。

但是，傳統的SCR催化劑有許多影響性能和效率的問題。對於使用氨作為還原劑的氧化釩催化材料，一個很大的限制因素是在不同溫度下的性能。傳統的釩催化在200至400攝氏度下工作效果最好。在鍋爐系統中，這意味著裝置必須放在靠近燃燒室的地方，使它們更容易受到灰燼的損害。

在以前的工作中，由東京都立大學的Toru Murayama教授領導的團隊創造了一種新的釩催化材料，在100至150攝氏度下能有效地工作。然而，較低的溫度導致了另一個問題，即水蒸氣。在較低的溫度下，工業廢氣通常含有10-20%的水蒸氣（體積）。由於氧化釩催化在氣體潮濕時性能會嚴重下降，因此需要進一步的突破以充分利用這種新的催化材料。

圖片來源：東京都立大學

目前，該團隊通過創造一種新的、由W替代的釩催化解決了這個問題。通過用W取代催化劑結晶結構中的一些釩，他們發現它不再容易受到性能大幅下降的影響。在150攝氏度的溫度下，當氣體變濕時，該團隊以前的釩催化的轉化率從82%下降到47%，而新的W替代的催化的性能僅從大於99%的轉化率下降到94%。這使得該材料成為處理實際工業廢氣的理想選擇。

然而，更多的W並不一定意味著更好的性能。研究小組發現，適量的W的非聚集性原子分散是至關重要的。鎢和釩都需要一起工作：在潮濕的條件下，W替代的材料為銨離子的產生提供了更多的位點，這些銨離子隨後可以與鄰近的釩離子附近的氮氧化物反應。該團隊希望他們對機制的見解以及他們的催化劑在現實條件下的優越性能將在不遠的將來帶來新的工業SCR產品和更清潔的空氣。

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