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Aug 14, 2023

アルミナのメカノケミカル合成

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21294 (2022) この記事を引用

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2 引用

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メトリクスの詳細

バナジアおよびランタナが豊富に含まれる新規なアルミナベースの材料が、メカノケミカル法を使用したその場修飾によって首尾よく合成され、アンモニア誘起窒素酸化物の選択的接触還元（SCRプロセス）に適用されました。 合成は、ボールミル処理時間 (3 または 5 時間)、バナジウム含有量 (最終生成物中の 0.5、1 または 2 wt%)、およびランタン含有量 (最終生成物中の 0.5 または 1 wt%) に関して最適化されました。 酸化バナジウム (V) は触媒活性を提供するためにアルミナ担体上に固定化され、一方、ランタナは窒素酸化物の親和性を高め、より活性な吸着サイトを作成するために導入されました。 メカノケミカル合成により、279 ～ 337 m2/g という大きな比表面積と 60 ～ (-40) mV の広い動電電位範囲を持つメソ多孔質材料の生成に成功しました。 触媒試験では、バナジアを組み込むと未使用のアルミナと比較して触媒性能が非常に大幅に向上し、400 °C での効率が 14% から 63% に増加することが示されました。 最高のSCR性能、つまり450℃の温度で75%の窒素酸化物転化率が、それぞれ2重量%と0.5重量%のバナジウムとランタンを富化したアルミナで得られ、これは有望な結果と考えられる。

窒素酸化物による高レベルの汚染は、環境と公衆衛生に否定できない悪影響を及ぼしており、その排出規制の強化につながっています1、2、3。 窒素酸化物、つまり NOx (NO、NO2、N2O など) は、固定発生源 (火力発電所など) および移動発生源 (車両の排気ガスなど) から放出され、酸性雨、光化学スモッグ、オゾン層破壊4． 選択的触媒還元 (SCR) は、NOx 汚染レベルを低減するための有望なプロセスです。 現在、SCR は発電所のボイラー、炉、その他の産業用石炭火力設備で広く使用されており、固定発生源からの NOx 排出を制御するための効率 5、選択性、経済性の点で最高の商用技術 6 となっています。 さらに、NH3 による NOx の選択的触媒還元 (NH3-SCR) は、ディーゼルエンジンから NOx を除去するための最も効果的な技術の 1 つであると報告されています7。 長年にわたり、SCR-NOx にはさまざまな触媒が使用されてきました。 これらの材料は、(i) V 系酸化物触媒、(ii) Cu または Fe ゼオライト触媒、および (iii) バナジウムを含まない酸化物触媒の 3 つの主なグループに分類できます。 NOx 還元活性が高いため、バナジウムを含む酸化物触媒、特に市販の V2O5-WO3/TiO2 および V2O5-MoO3/TiO2 が最もよく使用されます 8、9、10。 ただし、NH3-SCR11 の場合、SO2 および H2O 被毒に対する耐性が低いこと、動作温度範囲が狭い (300 ～ 400 °C) など、いくつかの欠点があります。 アルミナ上に担持されたバナジウム含有触媒は、400 °C に近い温度および低 SO2 濃度 (多くの排ガスに見られる) において、SO2 被毒による失活に対して高い耐性を示すことは広く知られています 12,13,14。 NOx を含むすべてのガス流には硫黄化合物 (主に硫黄酸化物、SOx) が存在するため、この機能は大気汚染防止において非常に重要です 11。 さらに、高度にメソ多孔性の担体を使用すると表面積が増加し、活性部位の数が増加し、バナジアの分散が促進され、全体的な触媒活性が向上する可能性があります。 宮本ら。 らは、アンモニアは V = O サイトに隣接して NH4+ として強く吸着され、反応速度は表面の V = O 結合の数に正比例すると主張しました 15。 NH3 吸着能力を強化するために、この研究で報告された Al2O3 バナジア材料は、合成中にランタナを導入することによって修飾されました。 SCR 触媒は以前に La 化合物で修飾されています。 SCR 関連条件下でのギ酸分解の場合、触媒に少量のランタナを添加すると塩基誘発促進効果が生じました 16。 ギ酸分解活性に対する塩基性気相反応物 (アンモニア) の促進効果は、触媒的に達成されました 17,18。 さらに、ランタナはさまざまな物質の吸着能力を大幅に向上させることが報告されており 19、これは NH3-SCR の場合に有益である可能性があります。 この現象は、La の電子配置によるもので、La のイオンがルイス酸の官能基と反応できることを意味します 20。

共沈法とゾルゲル合成は、窒素酸化物の選択的還元プロセスで触媒として使用する酸化物系を得る最も一般的な方法です21、22、23。 無溶媒合成法を使用して、より環境に優しい触媒を得ることが望ましい。 先端材料のメカノケミカル合成は現在、加熱、高価または危険な試薬の添加、多段階処理を伴う従来の溶液ベースの方法に代わる有利な代替手段として普及しています24。 従来の化学合成では、溶媒は多くの場合、エネルギー分散、溶解/溶媒和、化学物質の輸送において重要な役割を果たします。 効率的な混合プロセスでは、わずかな量の溶媒のみを使用して固相反応を可能にすることで、溶媒消費量が多いという問題を克服できます (湿式ボールミル粉砕または液体補助粉砕)。 このアプローチにより、圧縮、せん断、摩擦などの機械的手段によって化学変化を引き起こすことが可能になります25。 物理化学的特性の観点から見ると、メカノケミカル合成では、粉砕プロセス全体を通じて構造、化学組成、および/または化学反応性を変化させることにより、より高い表面積と表面エネルギーを備えた材料を得ることができます26。 これらのパラメーターは、さまざまな触媒用途向けの先進的な材料の設計と調製において特に重要です。 触媒活性と選択性が改善されたさまざまな触媒（担持金属ナノ粒子、ナノ複合材料、およびナノマテリアル）を得るためにメカノケミカルプロトコルを使用することに関する多くの報告があり、この方法が、より持続可能な調製方法を提供する可能性を示しています。触媒２８．

今回我々は、メカノケミカル合成によって得られたアルミナ/バナジア/ランタナハイブリッドを、アンモニアによる窒素酸化物の選択的接触還元における触媒として応用したことを報告する。 研究の主な目的には次のものが含まれます。(i) Al2O3/V2O5/La2O3 のメカノケミカルなソフトテンプレート合成の最適化。 (ii) 得られた触媒の詳細な物理化学的および構造分析。 (iii) NOx の選択的接触還元におけるこれらの触媒の実用化。 この研究は、バナジアとランタナの導入がアルミナベースの材料の物理化学的特性と構造的特性、さらには触媒性能に重大な影響を与える可能性があるという仮説に基づいています。 担体としてのアルミナ、活性物質としてのバナジア、活性化剤および気相成分に対する触媒の親和性に影響を与える元素としてのランタナの組み合わせにより、環境触媒プロセス専用の機能性材料が形成されることが期待される。

図 1 に示すように、バナジウム種で修飾されたアルミナをベースとしたメソポーラス酸化物材料は、他の箇所で説明されているものと同様の 1 ステップのメカノケミカル支援ソフトテンプレート合成によって得られました 29。

適用された合成ルートの模式図。

約 3 g の (EO)20 (PO)70(EO)20 トリブロック コポリマー (BASF、Co の Pluronic® P-123)、1.2 g のアルミナ前駆体 (ベーマイト)、適量のバナジア前駆体 (NH4VO3、≥ 99.0) ％、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製）、５ｍＬの脱イオン（ＤＩ）水、および１００μＬのＨＮＯ３（Ａｃｒｏｓ Ｏｒｇａｎｉｃｓ）を、それぞれ直径１ｃｍの８個のイットリア安定化ジルコニア粉砕ボールを備えた粉砕ジャーに導入した。 ブランクサンプルの場合、バナジア前駆体は添加されませんでした。 ランタナ修飾サンプルの場合、指定量の塩化ランタン七水和物 (99.99% 以上、Acros Organics 製) が導入されました。 得られた混合物を、Ｐｌａｎｅｔａｒｙ ＰＭ２００ミル（Ｒｅｔｓｃｈ）中で５００ｒｐｍの回転速度で設定時間（３または５時間）粉砕して、添加した金属塩とともにベーマイト粒子を粉砕した。 粉砕後、サンプルを 60 °C で 12 時間乾燥させ、次に 100 °C でさらに 12 時間乾燥させて溶媒を蒸発させました。 次いで、得られたペースト状材料を石英管状炉内で空気中、600℃で4時間焼成して、ポリマーテンプレートを除去し、所望の結晶化度を達成した。 次に、サンプルを室温まで自然冷却し、さらに精製することなく物理化学分析に供した。 調製したサンプルのリストを表 1 に示します。

蛍光 X 線 (XRF) 分析 (Epsilon 4、Malvern Instruments Ltd.、英国) およびエネルギー分散型 X 線分光法 (EDX; PTG Prism Si (Li)、Princeton Gamma Tech.、米国) を使用して、元素を測定しました。得られた材料の組成。 多孔質構造パラメータ（BET表面積（SBET）、細孔径分布の最大値における細孔幅（w）、および全細孔容積（Vt））は、低温（−196℃）窒素吸脱着等温線から決定されました。 （ASAP 2020、Micromeritics Instrument Co.、米国）、他で報告されている方法による30。 細孔径分布 (PSD) は、円筒状細孔に対して校正された Kruk-Jaroniec-Sayari 法を使用し、曲線の最大値を細孔幅 (w) として考慮して計算されました 30,31。 粒子サイズ分布と粒子凝集を測定するために、Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments Ltd. UK) を使用して非侵襲的後方散乱 (NIBS) 法を適用しました。 走査電子顕微鏡 (SEM) 画像は、MIRA3 走査電子顕微鏡 (Tescan、チェコ共和国) を使用して撮影されました。 粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定をＥｍｐｙｒｅａｎ回折計（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ、英国）で実施して、触媒の結晶構造を決定した。 動電（ゼータ）電位は、電気泳動光散乱（ELS）法（MPT-2自動滴定装置を備えたZetasizer Nano ZS、Malvern Instruments Ltd.、米国）によって測定した。

選択したサンプルの性能を、アンモニアによって誘発される窒素酸化物 (NOx) の選択的接触還元において検査しました。 触媒プロセスは、大気圧下、150 ～ 450 °C の温度で、200 mg の触媒を用いて固定床フロー マイクロリアクター内で実行されました。 標準的な実行では、反応混合物 (O2 を 3% (v/v) 添加した He 中の 800 ppm の NO、800 ppm の NH3) をマスフローコントローラーを通じてマイクロリアクターに導入し、総流量を 100 に維持しました。 cm3 分−1。 反応器の下流の触媒ユニットは、形成される可能性のある NO2 を NO に分解するために使用されました。 生成物流中の NO および N2O (反応副生成物) の濃度は、Hartmann and Braun の NDIR (非分散赤外線) センサーを使用して 65 秒ごとに測定されました。 NO 転化率は次の式に従って計算されました。

ここで、NOin は NO の入口濃度、NOout は NO の出口濃度です。

この研究の焦点は、バナジアおよびランタナ変性アルミナの合成の最適化と、窒素酸化物の選択的触媒還元プロセスにおけるその触媒性能の調査でした。 最初のステップは、バナジアの最適な量と粉砕時間を決定することでした。 粉砕時間を 3 時間から 5 時間に増やしても、得られた材料の構造特性は大幅には改善されず、場合によっては逆の効果が観察されました (表 2 を参照)。 したがって、経済的な理由から、最適なプロセス時間は 3 時間とされました。 最適なバナジウム含有量 (2 wt%) は、量を徐々に増やし、材料の特性が大きく変化するかどうかを確認することによって決定されました。 最終的に、粉砕時間が 3 時間でバナジウム含有量が最も高い A-3V2 サンプルが最適であると特定され、さらなる調査に使用されました。 このサンプルを得る条件は、La の 0.5 および 1 wt% に相当する量の La 前駆体を導入することによってさらに変更されました。

走査電子顕微鏡 (SEM) を使用して、得られた材料の個々の粒子の形態、形状、サイズを測定しました。 SEM 画像を図 2 に示します。サンプル A-3 の場合、いくつかの大きな凝集体が見られます。 SEM 画像からも、粒子の表面が比較的滑らかであることがわかります。 サンプル A-3V2 にバナジア前駆体を添加すると、凝集体のサイズが大幅に減少しました。 材料表面の粗さの増加も観察されます。 Al2O3 をバナジアおよびランタナで修飾した両方の場合 (A-3V2La0.5 および A-3V2La1)、粒子は異なるサイズと不規則な形状の粒子で構成され、凝集する傾向があります。 Al2O3 に追加元素を導入すると、その構造の不均一性が増加すると結論付けることができます。

触媒試験用に選択されたサンプルの 5 µm スケール バー付きの SEM 画像: A-3、A-3V2、A-3V2La0.5、および A-3V2La1。

サンプルの化学組成を決定することにより、酸化アルミニウム、酸化バナジウム、酸化ランタンをベースとした材料のメカノケミカル合成の有効性を間接的に確認することができました。 合成されたすべてのサンプルの詳細な酸化物組成を表 2 に示します。サンプル A-3、A-3V2、A-3V2La0.5、および A-3V2La1 の EDX 表面マッピングを図 3 に示します。表面マッピング画像は、均一な酸化物組成を示しています。サンプルの表面上のすべての元素の分布。 さらに、両方のドーピング元素からの明確な信号がはっきりと見えるため、合成プロセスの有効性を間接的に確認できます。

(a) A-3、(b) A-3V2、(c) A-3V2La0.5、および (d) A-3V2La1 サンプルの EDX 表面マッピング。SEM 画像および Al、O、V、La の分布を示す画像を含む。

表 2 に示すように、バナジウムの割合が増加すると、バナジウムのシグナルがより強くなり、サンプル中の V2O5 含有量がより高いことが確認されます。さらに、バナジウム含有量の増加は、合成プロセスの仮定と一致しています (表 1 を参照)、提案された修正方法の有効性が確認されています。

サンプルA-3、A-3V2、A-3V2La0.5、およびA-3V2La1につ​​いて得られたXRFスペクトルを図4aに示します。 すべてのサンプルについて、アルミニウムに由来する信号が約 1.486 keV (KαAl) で検出されました。 メタバナジン酸アンモニウムを用いて合成されたサンプルでは、​​バナジウムに特徴的なピークが約 4.949 keV (KαV) および 5.426 keV (KβV) で観察されました。 これらは、1.1 ～ 4.3 wt% の範囲のバナジウム含有量を反映しています。 LaCl3 を添加して調製したサンプルの場合、La2O3 の形での La の存在も確認され、A-3V2La0.5 および A-3V2La1 ではそれぞれ 0.5 および 1.1 wt% の含有量でした。 これらの結果は、バナジアとランタナを組み込んだ酸化アルミニウムの効果的な合成と、想定される材料の組成の両方を間接的に裏付けています。

サンプル A-3、A-3V2、A-3V2La0.5、および A- について得られた XRF スペクトル (a)、吸脱着等温線 (b)、XRD パターン (c)、およびゼータ電位対 pH のグラフ (d) 3V2La1。

低温窒素吸着分析を使用して、合成した材料の多孔質特性、つまり表面積 (SBET)、全細孔容積 (Vt)、および細孔サイズ分布の最大値でのメソ細孔サイズ (w) を決定しました。 すべてのサンプルのデータを表 2 に示します。すべてのサンプルは、300 m2/g に近い比較的大きな比表面積を持っています。 最低値(279 m2/g)はサンプルA-5 V1で得られ、最高値(337 m2/g)はサンプルA-5V0.5で得られた。 総細孔容積は、材料の組成の変化によって大きな影響を受けませんでした。 データは、プロセス時間を 3 時間から 5 時間に増やしても、得られる材料の表面積が大幅に増加しないことも示しています。 このため、サンプル A-3V2 をランタナで修飾するためのベース材料として選択しました。 この変更は材料の表面積に大きな影響を与えませんでした。 サンプルA-3、A-3V2、A-3V2La0.5およびA-3V2La1の窒素吸脱着曲線を図4bに示します。 すべての曲線で、ヒステリシス ループの存在が見られます。 これらの曲線は、IUPAC 分類に従って、メソポーラス材料に特徴的なタイプ IV 等温線として特徴付けることができます 32。 このタイプの等温線は、飽和蒸気圧に近づく高圧での吸着の増加と組み合わせて、メソ細孔やマクロ細孔を含む広範囲の細孔サイズ分布を持つ階層的多孔質材料で主に観察されます 33。 さらに、タイプ IV 等温線は、低および中程度の相対圧力での単層および多層吸着を表し、その後、より高い相対圧力での毛細管凝縮を表すことが知られています 34。 これは、メカノケミカル合成がメソポーラスアルミナ/バナジア/ランタナ材料を得るのに効果的な方法であるという結論につながります。

得られた粉末のXRDパターンを図4cに示します。 すべてのサンプルのパターンには、面心格子を示す立方晶対称性を持つ Al2O3 から生じる信号に対応する回折ピークが含まれています。 α-Al2O3 (ピーク 400、422、および 620)、γ-Al2O3 (ピーク 220、311、222、および 140)、θ-Al2O3 (ピーク 140) に由来するシグナルがパターン内に見られます。 パターン内のすべての回折ピークは、それらが標準の Al2O3 パターン (JCPDS データベース、カード番号 79-1558) と一致していることを示唆しています 35、36、37。 V または La の添加は、曲線の経過、つまりサンプルの結晶構造に大きな影響を与えませんでした。 他の化学種からの回折ピークは回折パターンでは検出できません。

材料表面動電ポテンシャルは、吸着プロセスの有効性を評価するのに重要であり、触媒分解効率の決定要因となる可能性があります。 材料の表面電荷の値は、静電引力のメカニズムを介して吸着物との結合を制御します。 図 4d は、選択した 4 つの材料の溶液の pH の関数として動電学的ポテンシャルを示しています。

テストしたすべての材料で、曲線は同じ傾向をたどります。つまり、材料は弱酸性の pH で正のゼータ電位を持ち、pH 6 ～ 8 中性付近で等電点 (IEP) に達し、より塩基性の環境では負の電荷を発現します。 H+ イオンの数が減少するため、pH が増加するとゼータ電位値が減少します。 よりアルカリ性の高い環境では、ヒドロキシルイオン（OH-）の存在により、サンプル表面に負の電荷が蓄積します38。 したがって、pH の上昇はゼータ電位値の低下につながる可能性があります。 未加工の Al2O3 材料 (A-3) の場合、ゼータ電位の最大値は 43 mV、最小値は - 21 mV です。 合成中にバナジア前駆体を追加すると、材料の電位範囲が 33–(-39) eV に減少しました。 電位の同様の変化は、バナジウムをドープした他の無機酸化物の場合でも観察されています39。 バナジア前駆体の添加によりこの範囲は減少しますが、ランタナの組み込みにより、ゼータ電位が正のままとなる pH 範囲が大幅に増加します。 材料の表面に正電荷が存在するのは、おそらく OH 基のプロトン化に関連していると考えられます。

ゼータ電位対 pH のグラフから評価される等電点 (IEP) は、触媒表面上の反応物の吸着能力に影響を与えるため、不均一系触媒反応のプロセスにおいて重要な役割を果たします 40。 A-3、A-3V2、A-3V2La0.5、および A-3V2La1 の IEP は、それぞれ pH 値 5.6、4.4、7.3、および 7.9 にあることが判明しました。 これは、得られた材料がこれらの点よりも低い pH 値の溶液では正に帯電し、これらの点よりも高い pH 値の溶液では負に帯電することを意味します。

選択された酸化アルミニウムベースの材料の触媒能力は、150 ～ 450 °C の温度範囲内で、アンモニアによる NOx の選択的触媒還元のプロセスでテストされました。 テスト結果を図 5 に示します。

選択した材料を使用した触媒テストの結果 (NOx 変換 (a) および副生成物 (N2O) 生成 (b) を含む)。

一般に、反応温度が上昇するにつれて、予想どおり、窒素酸化物の減少の増加傾向が観察されます。 最も低い触媒活性は純粋な Al2O3 (A-3) で観察され、400 °C で最大 14% の還元を達成します。 この材料では、400 °C 以上で NOx 生成の開始が観察されます。 バナジウム含有サンプル A-3V2 では、元の材料と比較して、触媒活性の非常に大きな改善が観察されます。 この材料を使用すると 400 °C で 63% という最高の NOx 削減率が得られ、これは純粋な Al2O3 材料の結果よりも大幅に高かった。 これはおそらく、アルミナをバナジアで濃縮するとその触媒特性が大幅に向上するという事実に関連していると考えられます。 冒頭で述べたように、アンモニアは V = O サイトに隣接して NH4+ として強く吸着され、反応速度は SCR 反応を促進する表面の V = O 結合の数に正比例します 15。 さらに、NH4+ の形で窒素が存在すると、材料の触媒活性が大幅に強化される可能性があります。 残念ながら、サンプル A-3V2 では、400 °C を超える温度での NOx の変換に問題があることが判明しました。 しかし、ランタナで修飾したサンプルでは、​​この問題は解消されました。 Al2O3/V2O5 材料の構造にランタナを組み込んでも、150 ～ 400 °C の温度範囲では触媒性能は大幅に向上しませんでしたが、この範囲を超える温度では窒素酸化物の生成を排除することができました。 この挙動は、ランタナで修飾されたサンプルのより広い範囲の正の表面電荷によるものである可能性もあります。 副産物の生成は実験中常に監視され、結果が図5bに示されています。 すべてのサンプルにおいて、副生成物の量は反応温度の上昇とともに徐々に増加しました。 ただし、バナジアおよびランタナで修飾されたサンプルの場合、N2O の量は全温度範囲で 23 ppm を超えませんでした。 純粋な Al2O3 サンプルでは、​​より高い N2O 生成が観察され、450 °C でほぼ 31 ppm に達しましたが、それでもかなり低い値です。 この結果に基づいて、Al2O3/V2O5/La2O3 材料の触媒作用のメカニズムが提案されました (図 6 を参照)。

Al2O3/V2O5/La2O3触媒上のアンモニアにより誘導されるNOxの選択的接触還元の提案された機構。

窒素酸化物は Al2O3/V2O5/La2O3 の表面に吸着され、活性バナジウム部位の存在によりアンモニアが窒素酸化物と反応します。 さらに、ランタナを組み込むと触媒表面の活性点の数が増加し、窒素酸化物の吸着が促進され、窒素酸化物の選択的接触還元がより効果的になります。 アンモニアは、同様のバナジウム含有金属酸化物触媒上での NH3 と NO 間の競合吸着において支配的な位置を占めており、そのため、おそらく Al2O3/V2O5/La2O3 の場合にも同様の挙動が発生します。 したがって、窒素と酸素の間の結合が切断され、分子状窒素、水、N2O が形成されるようになります。 窒素酸化物は触媒の表面に吸着され、その後亜硝酸塩と硝酸塩の単座配位種に変換される可能性があります。これは O2 の存在によって促進され、NH3 の吸着を大幅に阻害して SCR 反応を妨げます 41。

さまざまな金属種で修飾されたアルミナベースの材料は、これまでSCRプロセスの触媒として使用されてきました。 ただし、NH3-SCR は現在、ディーゼル エンジンから窒素酸化物を除去するための主要な技術であるのに対し、主に炭化水素を利用した SCR で研究されています。 Oton et al.11 は、湿式含浸法によってアルミナを Pt、Co、Fe、Ni で修飾し、CO による NOx の選択的接触還元でテストしました。白金とコバルトを含有するアルミナは、ほぼ 100% の NOx 転化率を達成しました。 400 °Cでは、Fe-Al2O3は約60%、Ni-Al2O3は0%に達しました。 比較すると、この研究で得られたバナジア変性アルミナサンプルは、その温度で窒素酸化物を 63% 削減しました。 Kumar ら 42 は、湿式含浸法を使用して一連の La2O3 修飾 Al2O3 担体を Ag 用に調製し、比較的高い表面積 (161 ～ 281 m2/g) を有する材料を得ました。 これらの材料は高い N2O 変換率をもたらし、5%Ag/1%La2O3-Al2O3 では 600 °C で 100% に達しました。 しかし、より低い温度では、これらの材料ははるかに悪い結果（すべてのサンプルで 40% 未満の削減）を示しましたが、私たちの研究では、450 °C で A-3V2La0.5 材料で 75% という最高の NOx 削減率が得られました。 Nascimento ら 43 は、湿式含浸法により Ni-Mo、Co-Mo、Pt-Mo の二元金属種で修飾された Al2O3-La2O3 ベースの触媒を調査し、CO 支援 SCR プロセスでの性能を調査しました。 400 °C で、Ni-Mo/Al2O3-La2O3、Co-Mo/Al2O3-La2O3、および Pt-Mo/Al2O3-La2O3 は、それぞれ 0%、<40%、<60% の NOx 転化率を達成しました。 対照的に、提示された研究で合成された A-3V2La0.5 材料は、400 °C で 70% の変換率を達成することができ、Pt-Mo/Al2O3-La2O3 サンプルで達成される変換率よりも高く、バナジウム化合物が有望な改質剤であるという主張を正当化しました。 SCRプロセス用触媒の開発。

この研究では、アルミナベースの酸化物材料の効果的なメカノケミカル合成と、その場での修飾によってバナジウムおよびランタン種の濃縮に成功しました。 改質サンプル中の V (1.1 ～ 4.3 wt%) および La (0.5 ～ 1.1 wt%) の存在は、EDX 分析によって確認されました。 XRF 分析により、酸化物形態の V2O5 (2.2 ～ 8.8 wt%) および La2O3 (1.1 ～ 2.0 wt%) 中にこれらの元素が存在することがさらに確認されました。 ヒステリシス ループの存在により、すべての窒素吸着脱着等温線は、メソポーラス材料に特徴的なタイプ IV として分類されました。 提案された合成ルートにより、279 ～ 337 m2/g という大きな比表面積を持つ材料が得られました。 未処理の Al2O3 の SEM 画像にはかなりのサイズの凝集体が見られますが、他のすべてのサンプルでは、​​さまざまな粒径と凝集度を持つ不規則な構造が明らかになりました。これは、Al2O3 に追加の金属含有種が導入されると、材料の構造的不均一性が増加することを示唆しています。 表面電荷特性は動電電位の測定によって決定されました。 すべてのサンプルは同様の曲線を示し、酸性 pH では正のゼータ電位値を示し、中性 pH 6 ～ 8 付近で等電点に達し、より塩基性の環境では負電荷を発現しました。 バナジアの導入によりゼータ電位の低下が生じ、一方、ランタナの添加によりゼータ電位が大幅に増加しました。 提案されたメカノケミカル合成は、メソポーラスアルミナ/バナジア/ランタナハイブリッドを得るのに有効な方法であると結論付けられる。

選択されたサンプルは SCR 触媒試験に供されました。 予想通り、未処理のアルミナは最も低い触媒活性を示し、400 °C で最大 14% の還元を達成しました。 バナジアを導入すると、触媒性能が非常に大幅に向上し、400 °C での効率は 63% になりました。 ランタナを添加すると、400 °C 以上の温度での窒素酸化物の再生成がなくなりました。 テストしたサンプルの中で、A-3V2La0.5 と A-3V2La1 は最高の SCR 触媒性能を達成し、450 °C でそれぞれ 75% と 71% の変換率に達しました。これは有望な結果と考えられます。 この研究は、バナジアとランタナを組み込んだアルミナがアンモニア支援SCR反応において高い触媒性能を示し、他の用途にも有益な材料である可能性があることを示しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、研究プロジェクト番号 2 の下でポーランド国立科学センターによって支援されました。 2018/29/B/ST8/01122。 この研究は、コジオスコ財団、アメリカポーランド文化センターによって可能になりました。

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アダム・ピアセツキ

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フィリップ・チェシエルチクへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Weidner, E.、Dubadi, R.、Samojeden, B. 他。 窒素酸化物の選択的接触還元のためのバナジアおよびランタナが豊富なアルミナベースの触媒のメカノケミカル合成。 Sci Rep 12、21294 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25869-w

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受信日: 2022 年 10 月 17 日

受理日: 2022 年 12 月 6 日

公開日: 2022 年 12 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25869-w

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