Template-free synthesis of hierarchically macro-mesoporous Mn-TiO₂ catalysts for selective reduction of NO with NH₃

Abstract

This study described a template-free method for the synthesis of hierarchically macro-mesoporous Mn-TiO₂ catalysts. The promoting effect of Mn doping and the hierarchically macro-mesoporous architecture on TiO₂ based catalysts was also investigated for the selective reduction of NO with NH₃. The results show that the catalytic performance of TiO₂ based catalysts was improved greatly after Mn doping. Meanwhile, the Mn-TiO₂ catalyst with the hierarchically macro-mesoporous architecture has a better catalytic activity than that without such an architecture.

Graphical abstract

Keywords

titania / hierarchically macro-mesoporous structure / Mn-doping / selective catalytic reduction

References

[1] Fu M F, Li C T, Lu P, Qu L, Zhang M Y, Zhou Y, Yu M G, Fang Y. A review on selective catalytic reduction of NO_x by supported catalysts at 100‒300 °C-catalysts, mechanism, kinetics. Catalysis Science & Technology, 2014, 4(1): 14–25

[2] Xiong S C, Xiao X, Liao Y, Dang H, Shan W P, Yang S J. Global kinetic study of NO reduction by NH₃ over V₂O₅-WO₃/TiO₂: Relationship between the SCR performance and the key factors. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(44): 11011–11023

[3] Lietti L, Alemany J L, Forzatti P, Busca G, Ramis G, Giamello E, Bregani F. Reactivity of V₂O₅-WO₃/TiO₂ catalysts in the selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia. Catalysis Today, 1996, 29(1-4): 143–148

[4] Lietti L, Nova I, Ramis G, Dall’Acqua L, Busca G, Giamello E, Forzatti P, Bregani F. Characterization and reactivity of V₂O₅-MoO₃/TiO₂ De-NO_x SCR catalysts. Journal of Catalysis, 1999, 187(2): 419–435

[5] Buscaa G, Liettib L, Ramisa G, Bertic F. Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction of NO_x by ammonia over oxide catalysts: A review. Applied Catalysis B: Environmental, 1998, 18(1): 1–36

[6] Heck R M. Catalytic abatement of nitrogen oxides–stationary applications. Catalysis Today, 1999, 53(4): 519–523

[7] Carja G, Kameshima Y, Okada K, Madhusoodana C D. Mn-Ce/ZSM-5 as a new superior catalyst for NO reduction with NH₃. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 73(1-2): 60–64

[8] Tang X L, Hao J M, Yi H H, Li J H. Low-temperature SCR of NO with NH₃ over AC/C supported manganese-based monolithic catalysts. Catalysis Today, 2007, 126(3): 406–411

[9] Went G T, Leu L J, Rosin R R, Bell A T. The effects of structure on the catalytic activity and selectivity of V₂O₅/TiO₂ for the reduction of NO by NH₃. Journal of Catalysis, 1992, 134(2): 492–505

[10] Went G T, Leu L J, Bell A T. Quantitative structural analysis of dispersed vanadia species in TiO₂(anatase)-supported V₂O₅. Journal of Catalysis, 1992, 134(2): 479–491

[11] Alemany L J, Berti F, Busca G, Ramis G, Robba D, Toledo G P, Trombetta M. Characterization and composition of commercial V₂O₅-WO₃-TiO₂ SCR catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 1996, 10(4): 299–311

[12] Chen J P, Yang R T. Selective catalytic reduction of NO with NH₃ on SO₄^2‒/TiO₂ superacid catalyst. Journal of Catalysis, 1993, 139(1): 277–288

[13] Saur O, Bensitel M, Mohammed S, Lavalley J C, Tripp C P, Morrow B A. The structure and stability of sulfated alumina and titania. Journal of Catalysis, 1986, 99(1): 104–110

[14] Wallin M, Forser S, Thormählen P, Skoglungh M. Screening of TiO₂-supported catalysts for selective NO_x reduction with ammonia. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2004, 43(24): 7723–7731

[15] Kijlstra W S, Brands D S, Poels E K, Bliek A. Mechanism of the selective catalytic reduction of NO by NH₃ over MnO_x/Al₂O₃. Journal of Catalysis, 1997, 171(1): 208–218

[16] Kim Y J, Kwon H J, Nam I, Choung J W, Kil J K, Kim H, Cha M, Yeo G K. High deNO_x performance of Mn/TiO₂ catalyst by NH₃. Catalysis Today, 2010, 151(3): 244–250

[17] Wu Z B, Jiang B Q, Liu Y. Effect of transition metals addition on the catalyst of manganese/titania for low-temperature selective catalytic reduction of nitric oxide with ammonia. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 79(4): 347–355

[18] Jiang B Q, Liu Y, Wu Z B. Low-temperature selective catalytic reduction of NO on MnO_x/TiO₂ prepared by different methods. Journal of Hazardous Materials, 2009, 162(2-3): 1249–1254

[19] 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

[20] Sun M H, Huang S Z, Chen L H, Li Y, Yang X Y, Yuang Z Y, Su B L. Applications of hierarchically structured porous materials from energy storage and conversion, catalysis, photocatalysis, adsorption, separation, and sensing to biomedicine. Chemical Society Reviews, 2016, 45(12): 3479–3563

[21] Huang J H, Tong Z Q, Huang Y, Zhang J F. Selective catalytic reduction of NO with NH₃ at low temperatures over iron and manganese oxides supported on mesoporous silica. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 78(3): 309–314

[22] Yu J, Guo F, Wang Y L, Zhu J H, Liu Y Y, Su F B, Gao S Q, Xu G W. Sulfur poisoning resistant mesoporous Mn-base catalyst for low-temperature SCR of NO with NH₃. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 95(1): 160–168

[23] Shi Y N, Chen S, Sun H, Shu Y, Quan X. Low-temperature selective catalytic reduction of NO_x with NH₃ over hierarchically macro-mesoporous  Mn/TiO₂. Catalysis  Communications,  2013, 42: 10–13

[24] Fang C, Shi L Y, Li H R, Huang L, Zhang J P, Zhang D S. Creating hierarchically macro-/mesoporous Sn/CeO₂ for the selective catalytic reduction of NO with NH₃. RSC Advances, 2016, 6(82): 78727–78736

[25] Zhang J F, Huang Y, Chen X. Selective catalytic oxidation of NO over iron and manganese oxides supported on mesoporous silica. Journal of Natural Gas Chemistry, 2008, 17(3): 273–277

[26] Schill L, Putluru S, Fehrmann R, Jensen A D. Low-temperature NH₃-SCR of NO on mesoporous Mn_0.6Fe_0.4/TiO₂ prepared by a hydrothermal method. Catalysis Letters, 2014, 144(3): 395–402

[27] Zhang L, Zhang D S, Zhang J P, Cai S X, Fang C, Huang L, Li H R, Gao R  H, Shi  L  Y. Design  of  meso-TiO₂@MnO_x-CeO_x/CNTs with a  core-shell  structure  as DeNO_x  catalysts:  Promotion  of  activity, stability and  SO₂-tolerance. Nanoscale,  2013,  5(20):  9821– 9829

[28] Catillon-Mucherie S, Ammari F, Krafft J, Lauron-Pernot H, Touroude R, Louis C. Preparation of coimpregnated Cu-Zn/SiO₂ catalysts: Influence of the drying step on metallic particle size and on Cu⁰‒Zn^II interactions. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(31): 11619–11626

[29] Monshi A, Foroughi M R, Monshi M R. Modified Scherrer equation to estimate more accurately nano-crystallite size using XRD. World Journal of Nano Science and Engineering, 2012, 2(3): 154–160

[30] Blin J, Léonard A, Yuan Z Y, Gigot L, Vantomme A, Cheetham A K, Su B L. Hierarchically mesoporous/macroporous metal oxides templated from polyethylene oxide surfactant assemblies. Angewandte Chemie, 2003, 42(25): 2872–2875

[31] Deng W H, Toepke M W, Shanks B H. Surfactant-assisted synthesis of alumina with hierarchical nanopores. Advanced Functional Materials, 2003, 13(1): 61–65

[32] Dapsens P Y, Hakim S H, Su B L, Shanks B H. Direct observation of macropore self-formation in hierarchically structured metal oxides. Chemical Communications, 2010, 46(47): 8980–8982

[33] Collins A, Carriazo D, Davis S A, Mann S. Spontaneous template-free assembly of ordered macroporous titania. Chemical Communications, 2004, 5(5): 568–569

[34] Pappas D K, Boningari T, Boolcchand 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

[35] Smirniotis P G, Sreekanth P M, Peña 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

[36] Choi H J, Kim S S, Hong S C. Improving the activity of Mn/TiO₂ catalysts through control of the pH and valence state of Mn during their preparation. Journal of the Air & Waste Management Association, 2012, 62(3): 362–369

[37] Kang M, Yeon T H, Park E D, Yie J E, Kim J M. Novel MnO_x catalysts for NO reduction at low temperature with ammonia. Catalysis Letters, 2006, 106(1): 77–80

[38] Boningari T, Ettireddy P R, Somogyvari A, Liu Y, Vorontsov A, McDonald C A, Smirniotis P G. Influence of elevated surface texture hydrated titania on Ce-doped Mn/TiO₂ catalysts for the low-temperature SCR of NO_x under oxygen-rich conditions. Journal of Catalysis, 2015, 325: 145–155

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany