Preparation of MO δ /3DOM ZSM-5 Catalysts and Their Catalytic Performance for the Simultaneous Removal of Soot and NOx

doi:10.7503/cjcu20240455

Abstract

Abstract:

Soot particles and NO_x， as the main pollutants in diesel engine exhaust， have caused a serious threat to people's health and the surrounding environment. Therefore， the catalytic purification of soot and NO_x is of wide concern. In this work， the three-dimensionally ordered macroporous（3DOM） ZSM-5 zeolite catalyst with unique pore structures was prepared and taken as a carrier. The 3DOM ZSM-5 supported MO_δ（M=Mn， Fe， Co， Ce， Pr， W） catalysts were also prepared. The prepared catalysts have a unique hierarchical pore structure， which is conducive to the capture and mass transfer of soot and small molecules such as NO_x， thereby enhancing the catalytic performance of the catalysts. Among the prepared catalysts， MnO_δ/3DOM ZSM-5 catalyst exhibits the best catalytic performance for the simultaneous removal of soot and NO_x， and its peak temperature for soot combustion is the lowest（453 ℃）， the initial temperature for NO conversion above 80% is the lowest（184 ℃） and the temperature window（184—362 ℃） over 80% NO conversion is wider. The excellent catalytic performance of MnO_δ/3DOM ZSM-5 is related to the good redox ability， abundant acid sites， sufficient reactive oxygen species， and rich hierarchical pore structures. Meanwhile， MnO_δ/3DOM ZSM-5 catalyst also has the highest intrinsic activity according to the kinetic test results. In addition， based on the results of the activity test and in situ diffuse reflectance infrared spectroscopy（in situ DRIFTS）， the reaction mechanisms of the catalyst at different temperatures were proposed. At low temperatures （<300 ℃）， the reaction mainly belongs to denitrification， following the Eley-Rideal（E-R） mechanism. Soot combustion mainly occurs at high temperatures（>300 ℃）， including activated oxygen mechanism and NO₂ assisted mechanism.

Key words: MO_δ/3DOM ZSM-5 catalyst, Soot combustion, NO_x removal, Reaction mechanism

CLC Number:

O643.3

TrendMD:

WANG Lanyi, WANG Shiwei, CHEN Xinyu, YU Di, ZHANG Chunlei, FAN Xiaoqiang, YU Xuehua, ZHAO Zhen. Preparation of MO _δ /3DOM ZSM-5 Catalysts and Their Catalytic Performance for the Simultaneous Removal of Soot and NO_x[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240455.

Figures/Tables 14

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Catalyst	S_BET^a /（m²‧g^‒1）	S_micro^b /（m²‧g^‒1）	V_total^c /（cm³‧g^‒1）	V_micro^d /（cm³‧g^‒1）	D_p^e /nm
3DOM ZSM⁃5	641.3	177.7	0.784	0.091	4.5
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5	435.4	121.4	0.624	0.062	5.7
FeO_δ/3DOM ZSM⁃5	426.9	142.0	0.632	0.073	5.9
CoO_δ/3DOM ZSM⁃5	432.1	116.5	0.685	0.059	6.3
CeO_δ/3DOM ZSM⁃5	354.1	109.9	0.505	0.056	5.7
PrO_δ/3DOM ZSM⁃5	255.8	57.3	0.449	0.029	7.0
WO_δ/3DOM ZSM⁃5	292.5	57.9	0.466	0.030	6.4

Catalyst	S_BET^a /（m²‧g^‒1）	S_micro^b /（m²‧g^‒1）	V_total^c /（cm³‧g^‒1）	V_micro^d /（cm³‧g^‒1）	D_p^e /nm
3DOM ZSM⁃5	641.3	177.7	0.784	0.091	4.5
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5	435.4	121.4	0.624	0.062	5.7
FeO_δ/3DOM ZSM⁃5	426.9	142.0	0.632	0.073	5.9
CoO_δ/3DOM ZSM⁃5	432.1	116.5	0.685	0.059	6.3
CeO_δ/3DOM ZSM⁃5	354.1	109.9	0.505	0.056	5.7
PrO_δ/3DOM ZSM⁃5	255.8	57.3	0.449	0.029	7.0
WO_δ/3DOM ZSM⁃5	292.5	57.9	0.466	0.030	6.4

Catalyst	O_Ⅱ/O_Ⅰ content ratio	NH₃ desorption
Catalyst	O_Ⅱ/O_Ⅰ content ratio	Weak acid content/（μmol‧g^‒1）	Medium acid content/（μmol‧g^‒1）
3DOM ZSM⁃5	—	37.5	—
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.9	19.5	8.0
FeO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	19.9	6.8
CoO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	23.0	7.8
CeO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.7	21.5	6.6
PrO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	20.4	4.3
WO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.7	32.2	9.1

Catalyst	O_Ⅱ/O_Ⅰ content ratio	NH₃ desorption
Catalyst	O_Ⅱ/O_Ⅰ content ratio	Weak acid content/（μmol‧g^‒1）	Medium acid content/（μmol‧g^‒1）
3DOM ZSM⁃5	—	37.5	—
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.9	19.5	8.0
FeO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	19.9	6.8
CoO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	23.0	7.8
CeO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.7	21.5	6.6
PrO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.8	20.4	4.3
WO_δ/3DOM ZSM⁃5	0.7	32.2	9.1

Catalyst	T_m/℃	T_NO，>80/℃	X_NO，m（%）
Soot	641	—	—
3DOM ZSM⁃5	601	—	31.4
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5	453	184—362	96.3
FeO_δ/3DOM ZSM⁃5	494	319—411	87.8
CoO_δ/3DOM ZSM⁃5	462	—	66.1
CeO_δ/3DOM ZSM⁃5	538	257—448	96.0
PrO_δ/3DOM ZSM⁃5	573	—	30.3
WO_δ/3DOM ZSM⁃5	563	—	30.7
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5⁃cycle1	457	180—352	95.0
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5⁃cycle2	465	187—356	96.3
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5⁃cycle3	462	185—361	96.2
MnO_δ/ZSM⁃5	470	199—380	96.0
MnO_δ⁃powder	451	—	51.5
MnO_δ/3DOM ZSM⁃5⁃100 mg/m³ SO₂+10%H₂O	498	—	67.3