锐钛矿与金红石型 TiO2晶体界面助力 Pt/TiO2催化剂在 CO 氧化反应中抗硫抗水性能提升

为解决工业烟气中 CO 污染及 Pt/TiO2催化剂硫水失活问题，研究人员通过调整 TiO2载体煅烧温度开展相关研究。结果显示 Pt/TiO2-500 催化剂性能最佳，该研究为设计抗二氧化硫工业催化剂提供方法。

　　在工业飞速发展的时代，环境问题愈发凸显，其中一氧化碳（CO）污染不容忽视。CO 是一种无色、无味的窒息性有毒气体，在大气中化学性质稳定，难以自然消除。它不仅是全球变暖的 “帮凶”，更是威胁人类健康的 “隐形杀手”。在工业领域，钢铁冶炼过程中，铁矿石烧结阶段会排放大量 CO，其浓度在烟气中可高达 8000 - 10000mg?m^–3 ，同时还伴有一定量的二氧化硫（SO₂）。如何有效治理工业烟气中的 CO，成为了环保领域亟待攻克的难题。

在众多 CO 处理技术中，催化氧化因成本效益高脱颖而出，被寄予厚望。然而，工业烟气中存在的水蒸气（H₂O）和 SO₂却给催化氧化带来了巨大挑战。这些物质极易吸附在催化剂表面，形成氢氧化物和硫酸盐，导致催化剂失活。铂（Pt）基催化剂在众多 CO 氧化催化剂中，展现出了较好的抗硫抗水性能，其中以 TiO₂为载体的 Pt/TiO₂催化剂表现更为突出。但即便如此，SO₂依旧会吸附在 Pt 位点，随后氧化成硫氧化物（SO_x），并转移到载体上，生成亚硫酸盐和硫酸盐，最终使催化剂中毒失活。

为了找到提升催化剂抗硫抗水性能的有效方法，中国海洋大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们通过改变 TiO₂载体的煅烧温度，合成了一系列具有不同锐钛矿和金红石相比例的 Pt/TiO₂催化剂。研究发现，在 500°C 煅烧温度下制备的 Pt/TiO₂-500 催化剂，锐钛矿和金红石相比例近似相等，其在 CO 氧化反应中展现出了卓越的催化活性，同时在含有 SO₂和 H₂O 的烟气环境中，抗硫抗水性能也大幅提升。该研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为工业催化剂的设计提供了全新的思路和方向，有望助力解决工业烟气污染治理的难题。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。采用溶胶 - 凝胶法（sol-gel method）制备 TiO₂载体，再通过浸渍法（impregnation method）负载 Pt，得到不同的 Pt/TiO₂催化剂。利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定催化剂中铂的实际负载量。运用 CO 程序升温脱附（CO-TPD）和 NH₃程序升温脱附（NH₃-TPD）技术，分别分析 CO、SO₂与催化剂的相互作用情况 。

催化性能研究

研究人员对在 400 - 600°C 不同温度下煅烧的 1%（质量）Pt/TiO₂催化剂进行 CO 氧化反应测试。结果发现，在 100°C 以下，所有催化剂的催化活性均低于 3%，但随着温度升高，CO 转化率逐渐上升。在这一系列催化剂中，Pt/TiO₂-500 催化剂表现最为出色。

晶体相影响分析

通过 CO-TPD 分析发现，与 Pt/anatase 相比，Pt/rutile 上 CO 与 Pt 的相互作用更强。这意味着在 Pt/rutile 上，CO 吸附能力过强，导致吸附的 CO 难以与 O 反应生成 CO₂。而 NH₃-TPD 分析表明，Pt/rutile 上 SO₂与 Pt 的相互作用比 Pt/anatase 更弱，这抑制了 SO₂在催化剂表面的吸附，减少了硫酸盐在催化剂上的沉积。

抗硫抗水性能测试

在模拟工业烟气环境，即 8%（vol）H₂O 和 0.016vol% SO₂（GHSV=300,000 ml·h^–1·g^–1）条件下对 Pt/TiO₂-500 催化剂进行测试。结果令人惊喜，在 220°C 时，该催化剂的 CO 转化率在 46 小时内始终保持在 95% 以上。

研究表明，锐钛矿相 TiO₂的存在缓解了催化剂的 CO 自毒化现象，而锐钛矿和金红石双相界面减少了 SO₂在催化剂表面的吸附和氧化，显著抑制了 TiOSO₄的沉积 。综合各项研究结果，Pt/TiO₂-500 催化剂凭借其独特的晶体相组成，展现出了最高的 CO 催化氧化活性以及优异的抗硫抗水性能。

这项研究为工业催化剂的设计提供了新的方向。以往，催化剂在工业烟气复杂环境下的失活问题一直制约着 CO 污染治理的效果。而该研究发现通过调控 TiO₂载体的晶体相比例，可以有效提升催化剂的性能。这一成果为后续开发更高效、更稳定的抗硫抗水工业催化剂奠定了理论基础，有望推动工业烟气污染治理技术的革新，对于改善环境质量、保障人类健康具有重要的现实意义。同时，也为相关领域的研究开辟了新的思路，激励更多科研人员深入探索催化剂晶体结构与性能之间的关系，开发出更多性能优异的催化剂，助力全球环境保护事业的发展。