学术综述报告

本文档为一篇学术综述文章，发表在《ChemCatChem》期刊上（DOI:10.1002/cctc.202301662），由Yueli Liu、Wenyuan Zhang和Wen Chen等学者共同撰写。研究团队分别来自武汉理工大学（Wuhan University of Technology）的多个研究机构，包括State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures及Sanya Science and Education Innovation Park等。本文围绕氮氧化物（NOx）脱除技术及其催化剂进行了全面回顾，深入探讨了氮氧化物排放的环境影响、现有脱硝技术及其催化剂的特点与局限性，并展望了未来研发方向。文章通过大量文献分析，为该领域的研究者和工业实践提供了宝贵参考。

主要观点与阐释

1. 氮氧化物（NOx）排放与环境问题

作者指出，随着工业化和城市化加速发展，氮氧化物作为主要大气污染物之一，对人类健康和生态环境构成了严重威胁。本文综合了氮氧化物对环境的多方面影响，包括酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏以及全球气候变化等。此外，文章细致描述了NOx对人体的危害，如引发呼吸系统疾病、加重哮喘等。其中，较高的NO2浓度会通过化学反应生成有害物质（如光化学氧化剂和酸性物质），直接威胁公共健康和生态系统稳定。

这部分分析得出明确结论，即控制NOx排放在当前全球环境治理中至关重要。作者由此引出了现有对氮氧化物的脱除技术及相关研究。

2. 脱硝技术当前进展

(1) 选择性非催化还原（SNCR）技术

SNCR技术利用高温（900°C-1100°C）环境下的还原剂（如尿素或氨）与NOx反应，将其转化为氮气和水。本文指出SNCR技术具有结构简单、建造及运行成本低等优势，但存在对温度极其敏感的局限性。例如，若操作温度过低，则会导致反应不完全并产生副产物；若温度过高，则可能产生氨逃逸问题。此外，该技术无法在低温烟气条件下有效实施，当前研究正致力于开发可用于更广温度范围的还原剂，如硝酸铵和液氨。

(2) 选择性催化还原（SCR）技术

与SNCR技术相比，SCR技术结合催化剂，可在300-500°C温度范围内实现较高脱硝效率，是当前工业脱硝的主流方法。本文详细解释了SCR的反应机理（Eley-Rideal和Langmuir-Hinshelwood机制），并分析了最常用的NH3-SCR技术。SCR的优势包括宽广的温度适应性、高效的NOx转化能力以及可减少脱硝副产物。然而，其核心挑战在于催化剂选择及其使用寿命问题。例如，催化剂在反应过程中逐渐失活，不仅降低效率，还增加更换成本。研究者正致力于开发新型多功能催化剂以解决这些问题，如低温下高效的锰基催化剂和MOFs（金属有机框架）催化剂等。

(3) 吸收与吸附技术

吸收技术常用于低温烟气环境中，其利用化学吸收剂捕捉并中和NOx。例如，碱性溶液可以将NOx转化为环保的亚硝酸盐和硝酸盐。本文介绍了吸收机理中的气相、气-液和液相平衡过程，并指出如何通过开发可生物降解或可重复使用的吸收液来降低控制成本和环境影响。

吸附技术则通过多孔固体材料（如活性炭AC、金属氧化物涂覆的吸附剂）捕集NOx。活性炭因其高比表面积和多孔结构在工业脱硝中得到了广泛应用，但吸附能力易受气体湿度和伴生气体的影响。为了提高其性能，活性炭通常需经过预处理或掺杂改性。

(4) 新兴技术：等离子体脱硝

本文还提及了正在实验阶段的等离子体脱硝技术。该方法利用高能等离子体分解NOx，具有高效脱硝和生成副产物少的潜力。然而此技术仍需进一步优化以降低实际工业应用成本。

3. 脱硝催化剂的类型与性能

(1) 贵金属催化剂

文章首先介绍了以铂（Pt）、金（Au）和钯（Pd）为代表的贵金属催化剂。此类催化剂尽管在低温下表现出高效脱硝能力，但其高昂的成本和抗硫性能较差限制了其广泛应用。

(2) 金属氧化物催化剂

金属氧化物催化剂是SCR催化剂的主力，尤以钒基（V2O5-TiO2）催化剂最为常见。其在300-400°C可实现高NOx分解效率。然而，文中也指出钒基催化剂的不足，包括其高温稳定性较差和易钝化。此外，锰基（MnOx）及铈基（CeO2）催化剂表现出优异的低温活性及抗SO2性能，成为近年来研究热点。

(3) 碳基催化剂

活性炭（AC）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯（GR）因其比表面积大、吸附性能强，被广泛应用于SCR催化剂载体。作者详细描述了表面功能化处理（如酸处理）如何增强其催化性能，但同时指出其在高温条件下稳定性差等限制。

(4) 分子筛催化剂

分子筛因其独特的孔道结构和高热稳定性，被认为是SCR技术中最具潜力的催化材料之一。文章特别提及了SSZ-13和SAPO-34等小孔分子筛，以其高效NOx转化率和抗硫能力脱颖而出。此外，通过调整活性组分的种类与分布可进一步优化催化效能。

(5) 金属有机框架（MOFs）催化剂

MOFs作为新兴的催化材料，因其大比表面积及可调控的孔隙结构备受关注。然而，其在高温和水汽环境下的稳定性不足是其主要短板。文中提到，未来可通过合成高稳框架结构的MOFs或采用复合材料来克服上述瓶颈。

4. 存在的主要挑战与未来研究方向

本文总结了当前脱硝领域面临的挑战，包括：

1. 如何选择兼具成本效益与高效率的脱硝方法；
2. 如何有效处理脱硝过程中的副产物并实现资源化利用；
3. 如何进一步提升低温下的催化剂性能和再生能力；
4. 如何开发多功能融合技术，如整合SNCR与SCR等。

文章强调未来需集中攻克催化剂的稳定性、选择性以及低温性能瓶颈，同时建议加强对脱硝反应机理的研究以开发更高效的技术。

5. 意义与价值

本文为氮氧化物脱除技术及催化剂研究提供了系统梳理和深入探讨，为该领域的决策者、研究者及工程实践提供了重要参考。不仅总结了当前技术的应用场景和局限性，还指明了未来的发展方向和技术创新的重点。通过加强对催化剂的研究及开发更广泛适用性的新兴技术，能够为全球环境保护和工业可持续发展贡献力量。