六方氮化硼异质结构调控V2 O5 -WO3 /TiO2 催化剂氧化态及SO2 抗性的宽温域NH3 -SCR性能研究

为攻克商用V基催化剂在宽温域NH3 -SCR（选择性催化还原）中低温活性不足与SO2 中毒难题，研究人员通过引入六方氮化硼（h-BN）构建异质结构，成功调控V4+ /W4+ 氧化态比例，使催化剂在240℃实现93.6% NO转化率，并在20 L·min-1 高流量下保持90%效率，同时显著抑制硫酸盐生成。该研究为工业NOx 治理提供了高性能、低钒含量的实用化解决方案。

　　

氮氧化物（NO_x
）是导致雾霾、酸雨和呼吸道疾病的重要污染物，全球年排放量高达1亿吨。尽管氨法选择性催化还原（NH₃
-SCR）技术能将NO_x
转化为无害的N₂
和H₂
O，但商用V₂
O₅
-WO₃
/TiO₂
催化剂存在两大瓶颈：一是低温（<300℃）活性依赖高钒含量，而钒过量又会导致高温区NH₃
过度氧化；二是工业烟气中的SO₂
易使催化剂表面硫酸盐化而失活。更棘手的是，实验室小流量测试结果（500 mL·min^-1
）与实际工业条件（20,000 L·min^-1
量级）存在巨大鸿沟，使得许多"高性能"催化剂难以产业化。

针对这些挑战，韩国工业技术研究院（KITECH）与国立研究团队创新性地将二维材料六方氮化硼（h-BN）引入VW/TiO₂
体系。通过构建h-BN与VW氧化物纳米颗粒的异质结构，在仅含1 wt.%钒的催化剂中，将V⁴⁺
比例提升至67.0%，远高于传统钨掺杂的效果。这种独特的电子结构调控使催化剂在240℃低温区NO转化率达到93.6%（实验室条件）和90.0%（20 L·min^-1
工业模拟条件），同时保持400℃高温区97.8%的转化率，突破了传统催化剂"低温失活、高温失控"的矛盾。

关键技术方法
研究采用浸渍法合成h-BN改性的VW/TiO₂
催化剂，通过X射线光电子能谱（XPS）定量分析V⁴⁺
/W⁴⁺
比例，结合原位漫反射红外光谱（DRIFTS）揭示表面硫酸盐抑制机制。在模拟工业条件的 monolithic 蜂窝状催化剂测试中，采用含300 ppm SO₂
和10% H₂
O的混合气体验证抗中毒性能。

研究结果

材料表征
XPS分析证实h-BN的引入使V⁴⁺
比例从常规催化剂的~40%提升至67.0%，同步产生W⁴⁺
物种。这种电子重分布源于h-BN与VW氧化物界面处的电荷转移，通过形成V-O-B和W-N键稳定低价态金属。

催化性能
在空速50,000 h^-1
条件下，10% h-BN改性催化剂实现2.14×10^-6
mol_NO
·s^-1
的超高通量，较未改性体系提升70%。DRIFTS显示h-BN能阻断SO₂
在V活性位点的吸附，使硫酸盐沉积量减少58%，这是首次在原子尺度揭示h-BN的抗硫机制。

工业模拟测试
1 wt.%钒含量的蜂窝催化剂在20 L·min^-1
流量（相当于电厂中试规模）下连续运行100小时，NO转化率保持>85%，且N₂
选择性始终高于98%，完全满足工业装置对压降和机械强度的要求。

结论与意义
该研究通过h-BN异质结构工程，实现了三个突破性进展：（1）在创纪录的低钒负载量下获得宽温域（180-420℃）高活性；（2）阐明界面电荷转移调控金属氧化态的新机制；（3）开发出兼具高流量适应性和强抗硫能力的 monolithic 催化剂。这项发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》的工作，不仅为设计下一代SCR催化剂提供了范式，其"二维材料-金属氧化物"杂化策略更可拓展至CO₂
转化、挥发性有机物处理等领域。工业测试数据表明，该技术有望将脱硝系统的能耗降低30%，推动"双碳"目标下的环保技术升级。