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用于原位 XAS 的低吸收玻璃体碳反应器:用于 NH3 选择性催化还原 NO(x) 的 Cu/沸石的案例研究。

Low absorption vitreous carbon reactors for operando XAS: a case study on Cu/Zeolites for selective catalytic reduction of NO(x) by NH3.

机构信息

School of Chemical Engineering, Purdue University, 480 Stadium Mall Drive, West Lafayette, IN 47907, USA.

出版信息

Phys Chem Chem Phys. 2012 Feb 21;14(7):2229-38. doi: 10.1039/c1cp22992c. Epub 2011 Dec 9.

DOI:10.1039/c1cp22992c
PMID:22158950
Abstract

We describe the use of vitreous carbon as an improved reactor material for an operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) plug-flow reactor. These tubes significantly broaden the operating range for operando experiments. Using selective catalytic reduction (SCR) of NO(x) by NH(3) on Cu/Zeolites (SSZ-13, SAPO-34 and ZSM-5) as an example reaction, we illustrate the high-quality XAS data achievable with these reactors. The operando experiments showed that in Standard SCR conditions of 300 ppm NO, 300 ppm NH(3), 5% O(2), 5% H(2)O, 5% CO(2) and balance He at 200 °C, the Cu was a mixture of Cu(I) and Cu(II) oxidation states. XANES and EXAFS fitting found the percent of Cu(I) to be 15%, 45% and 65% for SSZ-13, SAPO-34 and ZSM-5, respectively. For Standard SCR, the catalytic rates per mole of Cu for Cu/SSZ-13 and Cu/SAPO-34 were about one third of the rate per mole of Cu on Cu/ZSM-5. Based on the apparent lack of correlation of rate with the presence of Cu(I), we propose that the reaction occurs via a redox cycle of Cu(I) and Cu(II). Cu(I) was not found in in situ SCR experiments on Cu/Zeolites under the same conditions, demonstrating a possible pitfall of in situ measurements. A Cu/SiO(2) catalyst, reduced in H(2) at 300 °C, was also used to demonstrate the reactor's operando capabilities using a bending magnet beamline. Analysis of the EXAFS data showed the Cu/SiO(2) catalyst to be in a partially reduced Cu metal-Cu(I) state. In addition to improvements in data quality, the reactors are superior in temperature, stability, strength and ease of use compared to previously proposed borosilicate glass, polyimide tubing, beryllium and capillary reactors. The solid carbon tubes are non-porous, machinable, can be operated at high pressure (tested at 25 bar), are inert, have high material purity and high X-ray transmittance.

摘要

我们描述了使用玻璃体碳作为改进型的原位 X 射线吸收光谱(XAS)流动反应器的反应材料。这些管显著拓宽了原位实验的操作范围。以 NH3 在 Cu/沸石(SSZ-13、SAPO-34 和 ZSM-5)上选择性催化还原(SCR)NOx 为例,我们展示了这些反应器可获得高质量的 XAS 数据。原位实验表明,在 300 ppm 的 NO、300 ppm 的 NH3、5%的 O2、5%的 H2O、5%的 CO2 和 He 平衡的标准 SCR 条件下,Cu 处于 Cu(I)和 Cu(II)氧化态的混合物。XANES 和 EXAFS 拟合发现,对于 SSZ-13、SAPO-34 和 ZSM-5,Cu(I)的比例分别为 15%、45%和 65%。对于标准 SCR,Cu/SSZ-13 和 Cu/SAPO-34 的 Cu 每摩尔的催化速率约为 Cu/ZSM-5 每摩尔的三分之一。基于速率与 Cu(I)的存在之间明显缺乏相关性,我们提出反应是通过 Cu(I)和 Cu(II)的氧化还原循环进行的。在相同条件下,Cu/沸石的原位 SCR 实验中未发现 Cu(I),这表明原位测量可能存在一个陷阱。在 300°C 下用 H2 还原的 Cu/SiO2 催化剂也用于在弯曲磁体光束线上展示反应器的原位操作能力。EXAFS 数据分析表明,Cu/SiO2 催化剂处于部分还原的 Cu 金属-Cu(I)状态。与以前提出的硼硅酸盐玻璃、聚酰亚胺管、铍和毛细管反应器相比,除了数据质量的提高外,这些反应器在温度、稳定性、强度和易用性方面也具有优势。玻璃体碳管是无孔的、可机械加工的,可以在高压下运行(测试压力为 25 巴),惰性、材料纯度高、X 射线透过率高。

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