Metal-organic framework loaded manganese oxides as efficient catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH₃

Abstract

A mild in-situdeposition method was used to fabricate Mn-based catalysts on a UiO-66 carrier for the selective catalytic reduction of NO by NH₃ (NH₃-SCR). The catalyst with 8.5 wt-% MnO_x loading had the highest catalytic activity for NH₃-SCR with a wide temperature window (100–290 °C) for 90% NO conversion. Characterization of the prepared MnO_x/UiO-66 catalysts showed that the catalysts had the crystal structure and porosity of the UiO-66 carrier and that the manganese particles were well-distributed on the surface of the catalyst. X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed that there are strong interactions between the MnO_x and the Zr oxide secondary building units of the UiO-66 which has a positive effect on the catalytic activity. The 8.5 wt-% MnO_x catalyst maintained excellent activity during a 24-h stability test and exhibited good resistance to SO₂ poisoning.

Graphical abstract

Keywords

metal-organic framework / selective catalytic reduction / manganese oxides / deNO_x / SO₂ resistance

References

[1] Zhang Y, Zheng Y, Zou H, Zhang X. One-step synthesis of ternary MnO₂-Fe₂O₃-CeO₂-Ce₂O₃/CNT catalysts for use in low-temperature NO reduction with NH₃. Catalysis Communications, 2015, 71: 46–50 

[2] Liu C, Shi J W, Gao C, Niu C. Manganese oxide-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO_x with NH₃: A review. Applied Catalysis A, General, 2016, 522: 54–69

[3] Boningari T, Smirniotis P G. Impact of nitrogen oxides on the environment and human health: Mn-based materials for the NO_x abatement. Current Opinion in Chemical Engineering, 2016, 13: 133–141 

[4] Li J, Chang H, Ma L, Hao J, Yang R T. Low-temperature selective catalytic reduction of NO_x with NH₃ over metal oxide and zeolite catalysts—A review. Catalysis Today, 2011, 175(1): 147–156 

[5] Wang T, Zhu C, Liu H, Xu Y, Zou X, Xu B, Chen T. Performance of selective catalytic reduction of NO with NH₃over natural manganese ore catalysts at low temperature. Environmental Technology, doi: 10.1080/09593330.2017.1300190

[6] Millo F, Rafigh M, Fino D, Miceli P. Application of a global kinetic model on an SCR coated on filter (SCR-F) catalyst for automotive applications. Fuel, 2017, 198: 183–192 

[7] Ma T, Takeuchi K. Technology choice for reducing NO_x emissions: An empirical study of Chinese power plants. Energy Policy, 2017, 102: 362–376 

[8] Liu C, Gao G, Shi J W, He C, Li G, Bai N, Niu C. MnO_x-CeO₂ shell-in-shell microspheres for NH₃-SCR de-NO_x at low temperature. Catalysis Communications, 2016, 86: 36–40

[9] Yu C, Dong L, Chen F, Liu X, Huang B. Low-temperature SCR of NO_x by NH₃ over MnO_x/SAPO-34 prepared by two different methods: A comparative study. Environmental Technology, 2016, 38(8): 1030–1042 

[10] Deorsola F A, Andreoli S, Armandi M, Bonelli B, Pirone R. Unsupported nanostructured Mn oxides obtained by solution combustion synthesis: Textural and surface properties, and catalytic performance in NO_x SCR at low temperature. Applied Catalysis A, General, 2016, 522: 120–129 

[11] Kang M, Park E D, Kim J M, Yie J E. Manganese oxide catalysts for NO_x reduction with NH₃ at low temperatures. Applied Catalysis A, General, 2007, 327(2): 261–269 

[12] Kapteijn F, Singoredjo L, Andreini A, Moulijn J A. Activity and selectivity of pure manganese oxides in the selective catalytic reduction of nitric oxide with ammonia. Applied Catalysis B: Environmental, 1994, 3(2-3): 173–189 

[13] Yang S, Qi F, Xiong S, Dang H, Liao Y, Wong P K, Li J. MnO_x supported on Fe-Ti spinel: A novel Mn based low temperature SCR catalyst with a high N₂ selectivity. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 181: 570–580 

[14] Shen B, Zhang X, Ma H, Yao Y, Liu T. A comparative study of Mn/CeO₂, Mn/ZrO₂ and Mn/Ce-ZrO₂ for low temperature selective catalytic reduction of NO with NH₃ in the presence of SO₂ and H₂O. Journal of Environmental Sciences (China), 2013, 25(4): 791–800 

[15] Qiu L, Meng J, Pang D, Zhang C, Ouyang F. Reaction and characterization of Co and Ce doped Mn/TiO₂ catalysts for low-temperature SCR of NO with NH₃. Catalysis Letters, 2015, 145(7): 1500–1509 

[16] Ettireddy P R, Ettireddy N, Boningari T, Pardemann R, Smirniotis P G. Investigation of the selective catalytic reduction of nitric oxide with ammonia over Mn/TiO₂ catalysts through transient isotopic labeling and in situ FT-IR studies. Journal of Catalysis, 2012, 292: 53–63 

[17] Smirniotis P G, Sreekanth P M, Pena D A, Jenkins R G. Manganese oxide catalysts supported on TiO₂, Al₂O₃, and SiO₂-A comparison for low-temperature SCR of NO with NH₃. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2006, 45(19): 6436–6443 

[18] Singoredjo L, Korver R, Kapteijn F, Mouhjn J. Alumina supported manganese oxides for the low-temperature selective catalytic reduction of nitic oxide with ammonia. Applied Catalysis B: Environmental, 1992, 1(4): 297–316

[19] Silva P, Vilela S M, Tome J P, Almeida Paz F A. Multifunctional metal-organic frameworks: From academia to industrial applications. Chemical Society Reviews, 2015, 44(19): 6774–6803 

[20] Peterson G W, Mahle J J, De Coste J B, Gordon W O, Rossin J A. Extraordinary NO₂ removal by the metal-organic framework UiO-66-NH₂. Angewandte Chemie International Edition in English, 2016, 55(21): 6235–6238 

[21] Xue W, Li Z, Huang H, Yang Q, Liu D, Xu Q, Zhong C. Effects of ionic liquid dispersion in metal-organic frameworks and covalent organic frameworks on CO₂ capture: A computational study. Chemical Engineering Science, 2016, 140: 1–9 

[22] Wang K, Li C, Liang Y, Han T, Huang H, Yang Q, Liu D, Zhong C. Rational construction of defects in a metal-organic framework for highly efficient adsorption and separation of dyes. Chemical Engineering Journal, 2016, 289: 486–493 

[23] Zhang H, Chen D, Ma H, Cheng P. Real-time detection of traces of benzaldehyde in benzyl alcohol as a solvent by a flexible lanthanide microporous metal-organic framework. Chemistry, 2015, 21(44): 15854–15859 

[24] Xu H, Liu X F, Cao C S, Zhao B, Cheng P, He L N. A porous metal-organic framework assembled by [Cu₃₀] nanocages: Serving as recyclable catalysts for CO₂ fixation with aziridines. Advancement of Science, 2016, 3(11): 1600048

[25] Cavka J H, Jakobsen S, Olsbye U, Guillou N, Lamberti C, Bordiga S, Lillerud K P. A new zirconium inorganic building brick forming metal organic frameworks with exceptional stability. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(42): 13850–13851 

[26] Liu X, Demir N K, Wu Z, Li K. Highly water-stable zirconium metal-organic framework UiO-66 membranes supported on alumina hollow fibers for desalination. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(22): 6999–7002 

[27] Chavan S, Vitillo J G, Gianolio D, Zavorotynska O, Civalleri B, Jakobsen S, Nilsen M H, Valenzano L, Lamberti C, Lillerud K P, Bordiga S H. H₂ storage in isostructural UiO-67 and UiO-66 MOFs. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(5): 1614–1626 

[28] Arrozi U S F, Wijaya H W, Patah A, Permana Y. Efficient acetalization of benzaldehydes using UiO-66 and UiO-67: Substrates accessibility or Lewis acidity of zirconium. Applied Catalysis A, General, 2015, 506: 77–84 

[29] Ebrahim A M, Levasseur B, Bandosz T J. Interactions of NO₂ with Zr-based MOF: Effects of the size of organic linkers on NO₂ adsorption at ambient conditions. Langmuir, 2013, 29(1): 168–174 

[30] Ebrahim A M, Bandosz T J. Ce(III) doped Zr-based MOFs as excellent NO₂ adsorbents at ambient conditions. ACS Applied Materials & Interfaces, 2013, 5(21): 10565–10573 

[31] Wu H, Chua Y S, Krungleviciute V, Tyagi M, Chen P, Yildirim T, Zhou W. Unusual and highly tunable missing-linker defects in zirconium metal-organic framework UiO-66 and their important effects on gas adsorption. Journal of the American Chemical Society, 2013, 135(28): 10525–10532 

[32] Vandichel M, Hajek J, Vermoortele F, Waroquier M, De Vos D E, Van Speybroeck V. Active site engineering in UiO-66 type metal-organic frameworks by intentional creation of defects: A theoretical rationalization. CrystEngComm, 2015, 17(2): 395–406 

[33] Mounfield W P III, Taborga Claure M, Agrawal P K, Jones C W, Walton K S. Synergistic effect of mixed oxide on the adsorption of ammonia with metal-organic frameworks. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(22): 6492–6500 

[34] Yang Q, Zhong C, Chen J F. Computational study of CO₂ storage in metal-organic frameworks. Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112(5): 1562–1569 

[35] Zhang X, Wang P, Wu X, Lv S, Dai J. Application of MnO_x/HNTs catalysts in low-temperature NO reduction with NH₃. Catalysis Communications, 2016, 83: 18–21 

[36] Schaate A, Roy P, Godt A, Lippke J, Waltz F, Wiebcke M, Behrens P. Modulated synthesis of Zr-based metal-organic frameworks: From nano to single crystals. Chemistry, 2011, 17(24): 6643–6651 

[37] Valenzano L, Civalleri B, Chavan S, Bordiga S, Nilsen M H, Jakobsen S, Lillerud K P, Lamberti C. Disclosing the complex structure of UiO-66 metal organic framework: A synergic combination of experiment and theory. Chemistry of Materials, 2011, 23(7): 1700–1718 

[38] Liu R, Ji L, Xu Y, Ye F, Jia F. Catalytic performance and SO₂ tolerance of tetragonal-zirconia-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction. Journal of Materials Research, 2016, 31(17): 2590–2597 

[39] Long J, Wang S, Ding Z, Wang S, Zhou Y, Huang L, Wang X. Amine-functionalized zirconium metal-organic framework as efficient visible-light photocatalyst for aerobic organic transformations. Chemical Communications, 2012, 48(95): 11656–11658 

[40] Rungtaweevoranit B, Baek J, Araujo J R, Archanjo B S, Choi K M, Yaghi O M, Somorjai G A. Copper nanocrystals encapsulated in Zr-based metal-organic frameworks for highly selective CO₂ hydrogenation to methanol. Nano Letters, 2016, 16(12): 7645–7649

[41] Andreoli S, Deorsola F A, Pirone R. MnO_x-CeO₂ catalysts synthesized by solution combustion synthesis for the low-temperature NH₃-SCR. Catalysis Today, 2015, 253: 199–206 

[42] Fang D, Xie J, Hu H, Yang H, He F, Fu Z. Identification of MnO_x species and Mn valence states in MnO_x/TiO₂ catalysts for low temperature SCR. Chemical Engineering Journal, 2015, 271: 23–30 

[43] Alayoglu S, Beaumont S K, Zheng F, Pushkarev V V, Zheng H, Iablokov V, Liu Z, Guo J, Kruse N, Somorjai G A. CO₂ hydrogenation studies on Co and CoPt bimetallic nanoparticles under reaction conditions using TEM, XPS and NEXAFS. Topics in Catalysis, 2011, 54(13-15): 778–785 

[44] Thirupathi B, Smirniotis P G. Nickel-doped Mn/TiO₂ as an efficient catalyst for the low-temperature SCR of NO with NH₃: Catalytic evaluation and characterizations. Journal of Catalysis, 2012, 288: 74–83 

[45] Pappas D K, Boningari T, Boolchand P, Smirniotis P G. Novel manganese oxide confined interweaved titania nanotubes for the low-temperature selective catalytic reduction (SCR) of NO_x by NH₃. Journal of Catalysis, 2016, 334: 1–13 

[46] Wang P, Sun H, Quan X, Chen S. Enhanced catalytic activity over MIL-100(Fe) loaded ceria catalysts for the selective catalytic reduction of NO with NH₃ at low temperature. Journal of Hazardous Materials, 2015, 301: 512–521 

[47] Shan W, Liu F, He H, Shi X, Zhang C. A superior Ce-W-Ti mixed oxide catalyst for the selective catalytic reduction of NO_x with NH₃. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 115-116: 100–106 

[48] Jiang H, Wang Q, Wang H, Chen Y, Zhang M. MOF-74 as an efficient catalyst for the low-temperature selective catalytic reduction of NO_x with NH₃. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(40): 26817–26826 

Acknowledgements

We thank the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 21506150) for the financial support. The project was sponsored by the Scientific Research Foundation for Returned Overseas Chinese Scholars, State Education Ministry.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany