Ru/TiO2催化剂在SO2和H2O共存条件下CO催化氧化的动态平衡机制及工业应用潜力

为解决工业烟气中CO高效稳定脱除的难题，研究人员针对Ru/TiO2催化剂在SO2和H2O共存条件下的失活机制展开研究。通过多尺度表征和原位DRIFTS技术，发现高浓度CO通过抑制硫酸盐积累、促进*OH介导的反应路径，实现表面硫物种沉积-分解的动态平衡，使催化剂在严苛条件下保持90%转化率。该研究为开发工业级耐硫贵金属催化剂提供了理论依据。

　　

工业烟气中CO的排放不仅造成能源浪费，更对生态环境和人类健康构成严重威胁。尽管催化燃烧技术因其低温高效特性被视为最有前景的解决方案，但实际工业环境中SO₂和H₂O的存在导致催化剂快速失活，这一"硫中毒"难题长期制约着技术的工程化应用。尤其在中国钢铁等行业，CO浓度常超过1 vol%，其排放量占行业总排放近半数，开发耐硫稳定的催化剂成为迫切的产业需求。

针对这一挑战，北京某研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，系统探究了Ru/TiO₂催化剂在高浓度CO、SO₂和H₂O共存条件下的独特稳定性机制。研究采用XRD、XPS、H₂-TPR（氢气程序升温还原）等表征手段结合原位DRIFTS（漫反射傅里叶变换红外光谱）技术，揭示了催化剂表面硫物种的动态平衡规律。

催化剂性能
实验发现1 wt% Ru/TiO₂在150°C即可实现CO完全转化。长期测试中，尽管初期活性衰减，但在50 ppm SO₂、5000 ppm CO和2% H₂O条件下仍能保持90%转化率，表现出卓越的稳定性。

结构表征
XPS分析显示使用后催化剂Ru³⁺/Ru^δ+和Ti⁴⁺/Ti³⁺比例升高，证实了部分硫酸化。TPR数据表明硫酸盐在250°C以上可被均匀还原，这种易还原特性是维持活性的关键。

反应机制
原位DRIFTS捕捉到碳酸盐和甲酸盐等关键中间体，证实CO氧化遵循Langmuir-Hinshelwood机制。特别值得注意的是：1）高浓度CO竞争抑制硫酸盐形成；2）H₂O通过促进OH介导路径加速HCOO生成，进一步阻碍硫积累。这种"硫沉积-CO还原"的动态平衡解释了催化剂的长期稳定性。

结论与意义
该研究首次阐明在高浓度CO环境下，Ru/TiO₂表面硫物种能达到动态平衡的微观机制。这一发现突破了传统认知中SO₂必然导致催化剂失活的局限，为设计工业级耐硫贵金属催化剂提供了新思路。通过调控CO浓度、温度和水分等参数，可实现催化剂在严苛条件下的稳定运行，对推动钢铁、电力等行业的烟气净化技术革新具有重要实践价值。研究揭示的*OH介导路径和硫物种动态平衡原理，也为其他贵金属催化体系的抗中毒设计提供了普适性参考。