自掺杂氧空位TiO2负载Mn催化剂在NH3-SCR体系中高效脱除NOx的机制研究

研究人员针对低温烟气中NOx去除效率低的难题，通过NaBH4化学还原法构建自掺杂氧空位(OV)的黑色TiO2载体，开发出Mn/1.0Ti-300催化剂，在200°C实现100%的NOx转化率。该研究揭示了表面OV促进Mn4+生成及氧化还原能力提升的机制，为低温SCR催化剂设计提供了新策略。

　　

随着工业排放标准的日益严格，如何高效去除低温烟气中的氮氧化物(NO_x)成为环境催化领域的重要挑战。传统V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂在300-400°C才能发挥最佳性能，而钢铁、水泥等行业排放的烟气温度常低于200°C。更棘手的是，TiO₂载体固有的氧供应能力不足限制了锰基催化剂的低温活性。面对这一困境，研究人员开始将目光投向缺陷工程——通过调控材料本征的氧空位(O_V)来改变催化剂性能。

在这项发表于《Applied Nursing Research》的研究中，研究人员创新性地采用NaBH₄化学还原法，通过精确控制NaBH₄/TiO₂摩尔比和煅烧温度，成功制备出具有可控氧空位的黑色TiO₂载体。与需要高温高压的传统H₂还原法相比，这种方法不仅操作更安全，还能精准调控O_V的数量和分布位置。当负载锰活性组分后，最佳催化剂Mn/1.0Ti-300在200°C即实现100%的NO_x转化率，较未改性载体催化剂提升10%，甚至在100°C的极低温度下仍保持70%的转化效率。

研究团队主要运用了溶胶-凝胶法制备TiO₂载体，通过X射线光电子能谱(XPS)分析表面元素价态，结合H₂程序升温还原(H₂-TPR)评估氧化还原性能，并采用原位红外光谱追踪反应中间体。

"Effect of the NaBH₄/TiO₂ molar ratio"部分揭示，当NaBH₄/TiO₂摩尔比为1时，催化剂呈现尖锐的活性峰，表明适量O_V可优化反应窗口。"Conclusion"部分强调，300°C煅烧温度促使O_V富集在TiO₂表面，这些表面缺陷不仅成为O₂吸附活化位点，还通过电子转移将MnO_x氧化为高活性的Mn⁴⁺，形成"表面氧空位-高价锰"的协同作用机制。

这项研究的突破性在于阐明了O_V位置对SCR活性的决定性影响：表面O_V比体相O_V具有更高的反应可及性，能显著促进低温下O₂的活化和NO_x的转化。该工作不仅为低温SCR催化剂设计提供了明确的方向——即通过缺陷工程精准调控表面氧空位，更开创性地将黑色TiO₂这一光催化材料成功应用于环境催化领域，展现出交叉学科研究的巨大潜力。未来，这种自掺杂氧空位的策略还可拓展至其他金属氧化物催化剂体系，为大气污染控制提供新思路。