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.

Key words： titania; hierarchically macro-mesoporous structure; Mn-doping; selective catalytic reduction

Acknowledgements

This work was carried out in the framework of a program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team (IRT_15R52) of the Chinese Ministry of Education. B. L. Su acknowledges the Chinese Central Government for an “Expert of the State” position in the Program of the “Thousand Talents”, the Chinese Ministry of Education for a “Changjiang Chaire Professor” position and a Clare Hall Life Membership at the Clare Hall College and the financial support of the Department of Chemistry, University of Cambridge. L.H. CHEN acknowledges Hubei Provincial Department of Education for the “Chutian Scholar” program. This work was also financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21671155 and U1663225), Scientific Research Foundation for the Returned Oversea Chinese Scholars, State Education Ministry ([2015]311), Hubei Provincial Natural Science Foundation (2015CFB428).

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