ACS ES&T Eng. ：含过渡金属的类水滑石吸附去除二氧化氮

来源：ACS美国化学会

英文原题：NO₂ Removal by Adsorption on Transition-Metal-Based Layered Double Hydroxides 通讯作者：尚进, 香港城市大学大学；王晨光，中科院广州能源所 作者：Shanshan Shang, Chao Yang, Yuanmeng Tian, Zeyu Tao, Aamir Hanif, Mingzhe Sun, Ho Hin Stephen Wong, Chenguang Wang, and Jin Shang氮氧化物(NOx)是当前主要空气污染物，其中最普遍存在的污染物形式为NO₂，其不当排放对环境和人类健康均造成严重危害。

目前工业上主要通过选择性催化还原(SCR)技术处理NO₂，但该技术的局限是必须在高温条件(250-600 oC)下经催化剂才能对NO₂进行转化，因此对于较低温度(＜200 oC)下排放的NO₂，难以实现有效去除。

选择性气体吸附是一种可行并且颇有前景的技术，主要利用固体多孔吸附剂上的有效活性位点对NO₂等有害气体进行选择性吸附，从而最终实现去除效果。

为了解决上述问题，香港城市大学能源与环境学院尚进教授课题组与中科院广州能源所合作开发了一系列含过渡金属离子的类水滑石(TM-Al-CO3LDH)作为NO₂吸附剂。

这种固体吸附剂在室温条件下NO₂(20 ppm)吸附量可高达5.3 mmol/g以上(图1)，其中的较优吸附剂Ni-Al-CO3 LDH可以在6次循环再生后，依旧保持74%的初始吸附量，并且其一氧化氮(NO)释放量也为最低，明显优于其他同类吸附剂。

图1：(a) NO₂的动态吸附穿透曲线, (b) NO 释放曲线, (c) NOx 吸附量以及 (d) NO的释放百分比。

本研究开发的NO₂ 吸附剂采用特殊的与水共溶有机溶剂处理方法(AMOST)制备，与传统共沉淀方法合成的LDH相比，TM-Al-CO3 LDH可以实现更好的剥离效果，从而使其与吸附相关的物理化学性质均有很大程度的改进。

比如，使用AMOST方法合成的Ni-Al-CO3和Co-Al-CO3 LDH，其比表面积可高达205 and 233 m2/g，是传统共沉淀方法合成的LDH的近十倍，进而可提升NO₂气体的整体吸附量。

在形貌方面(图2)，采用AMOST合成的Ni-Al-CO3和Co-Al-CO3 LDH呈现出较好的分散度和剥离程度，利于NO₂气体的吸附和扩散。

此外Ni-Al-CO3和Co-Al-CO3 LDH展现出高NO₂吸附量的另一个原因是，这两种LDH上的碱性位点密度高，因此吸附酸性气体NO₂的作用力更强。

图2：AMOST方法合成的LDH的扫描以及透射电镜图：(a)和(b) Ni-Al-CO3, (c)和(d) Co-Al-CO3, (e)和(f) Cu-Al-CO3, (g)和(h) Zn-Al-CO3LDH。

为了进一步研究NO₂在TM-Al-CO3 LDH上的吸附行为，我们利用原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)(图3)来揭示NO₂的吸附路径。

在吸附阶段，NO₂首先吸附在M-OH-位点，生成亚硝酸根(NO2-)和暴露的M-O2-位点；然后NO₂进一步与M-O2-反应，生成硝酸根(NO3-)与气态的NO并释放。

在脱附阶段，之前部分吸附在金属M位点NO₂-和NO3-无法通过简单的惰性气体(氩气)吹扫去除，因此之后我们利用超纯水洗涤进行去除，从而实现吸附剂的再生。

图3：Ni-Al-CO3 LDH在NO₂吸附(a)与脱附(b)过程中的原位漫反射傅里叶变换红外光谱。

综上所述，开发对氮氧化物有较强吸附作用的固体多孔材料对大气污染治理具有十分重大的意义。

我们设计的含过渡金属的类水滑石(Ni-Al-CO3 LDH)作为新型二氧化氮吸附剂，因其高性能、可再生，可室温吸附去除污染物等优点，在同类吸附剂中展现出巨大优势。

此外采用的AMOST方法制备LDH工艺简单、价格低廉，适用于吸附剂的大规模生产。

该研究成果在氮氧化物环境治理领域具有良好的应用前景。

相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，香港城市大学博士研究生尚姗姗为文章的第一作者，香港城市大学尚进教授、中科院广州能源所王晨光教授为共同通讯作者。