ZnCl2 活化S/N共掺杂生物炭低温NH3 -SCR脱硝：性能提升与反应路径解析

针对工业烟气低温段(<300°C)NOx 去除效率低的难题，研究人员通过ZnCl2 活化和硫脲掺杂制备S/N共掺杂小麦秸秆生物炭催化剂SN2.5 Z1.2 /AC，在50-260°C实现88%的NO转化率，揭示C-SO3 -H基团和N-6结构协同促进的E-R/L-H双机制反应路径，为开发低成本环保催化剂提供新思路。

　　

随着工业发展和交通运输量增加，氮氧化物(NO_x
)污染已成为严峻的环境问题。这些污染物不仅导致酸雨和光化学烟雾，更会引发呼吸道疾病，直接威胁人类健康。目前广泛应用的V₂
O₅
-WO₃
/TiO₂
催化剂虽在300-500°C表现优异，但低温活性差、易受SO₂
毒化且存在生物毒性，难以满足袋式除尘等低温烟气处理需求。金属基催化剂虽有一定效果，但成本高且环境风险大，亟需开发高效环保的替代方案。

在此背景下，来自青岛的研究团队创新性地利用农业废弃物小麦秸秆为原料，通过ZnCl₂
化学活化和硫脲掺杂的协同策略，制备出性能优异的硫氮共掺杂生物炭催化剂。相关成果发表在《Green Energy and Resources》上，为解决低温脱硝这一行业难题提供了新思路。

研究采用三步法制备催化剂：首先通过ZnCl₂
活化构建多孔结构，再以硫脲为硫氮源进行共掺杂改性。采用BET比表面积分析、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温脱附(TPD)等技术系统表征材料特性，通过固定床反应器评价催化性能，并结合瞬态响应实验和Arrhenius方程解析反应机制。

生物炭性能
研究发现ZnCl₂
活化使原始生物炭NO转化率从38%提升至45.1%。S/N共掺杂后，SN_2.5
Z_1.2
/AC在50-260°C宽温域保持70%以上转化率，260°C时达88%。N₂
选择性>83%，120小时稳定性测试显示优异耐久性。但SO₂
存在会使活性下降且不可逆，表明硫酸盐沉积是主要毒化机制。

物理结构表征
BET分析显示S/N掺杂使比表面积从1207.84 m²
/g降至535.15 m²
/g，但形成更多0.60-1.40 nm的微孔。吸附等温线呈IV型滞后环，证实材料具有介孔特征。最佳掺杂比(2.5)时微孔数量与催化活性呈正相关，过量掺杂则导致孔道堵塞。

化学结构表征
XPS揭示O_α
/(O_α
+O_β
)比值与活性正相关，S/N掺杂使其从45%提升至63%。N1s谱中N-6(398.55 eV)和N-5(399.5 eV)占比最高，前者通过孤对电子增强NO_x
吸附。S2p谱检测到关键C-SO₃
-H基团，其含量变化与活性趋势一致，可能是催化活性中心。

程序升温分析
NO-TPD显示S/N掺杂使NO吸附量显著增加；O₂
-TPD在110-225°C出现化学吸附氧脱附峰；NH₃
-TPD证实强酸位点(623°C脱附峰)大幅增加；H₂
-TPR显示掺杂比为2.5时在663°C出现新还原峰，对应表面氧基团还原。

瞬态响应实验
动态测试表明：NH₃
切断后NO转化持续进行，证实Eley-Rideal机制中气相NH₃
的主导作用；O₂
中断时催化剂表面氧基团可暂时维持反应；NO吸附态参与反应则支持Langmuir-Hinshelwood机制。SN_2.5
Z_1.2
/AC活化能仅1.43 kJ，为性能最佳催化剂。

反应机制解析
研究提出双路径反应模型：E-R路径中，气相NH₃
被表面活性氧(O*)氧化为•NH₂
，直接还原气相NO；L-H路径中，吸附态NO被氧化为NO₂
或ONO*中间体，再与•NH₂
反应。C-SO₃
-H基团通过稳定NH₄
NO₂
中间体促进反应循环。

该研究通过精准调控生物炭表面化学性质，创制出性能优异的低温脱硝催化剂。相比传统金属催化剂，这种以农业废弃物为原料的碳基材料具有成本低、环境友好等优势。特别是揭示了硫氮共掺杂协同提升表面酸性位点和氧化还原能力的分子机制，为设计新一代非金属催化剂提供了理论依据。虽然SO₂
耐受性仍需改善，但该工作将生物质资源化利用与环境治理相结合，展现出广阔的产业化应用前景。