Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

Postal Subscription Code 80-969

2018 Impact Factor: 2.809

Front. Chem. Sci. Eng.    2017, Vol. 11 Issue (4) : 594-602    https://doi.org/10.1007/s11705-017-1668-5
RESEARCH ARTICLE
Metal-organic framework loaded manganese oxides as efficient catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3
Minhua Zhang1,2, Baojuan Huang1,2, Haoxi Jiang1,2, Yifei Chen1,2()
1. Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education, R&D Center for Petrochemical Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin 300072, China
 Download: PDF(374 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
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-% MnOx 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 MnOx/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 MnOx and the Zr oxide secondary building units of the UiO-66 which has a positive effect on the catalytic activity. The 8.5 wt-% MnOx catalyst maintained excellent activity during a 24-h stability test and exhibited good resistance to SO2 poisoning.

Keywords metal-organic framework      selective catalytic reduction      manganese oxides      deNOx      SO2 resistance     
Corresponding Author(s): Yifei Chen   
Just Accepted Date: 19 June 2017   Online First Date: 26 September 2017    Issue Date: 06 November 2017
 Cite this article:   
Minhua Zhang,Baojuan Huang,Haoxi Jiang, et al. Metal-organic framework loaded manganese oxides as efficient catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NO with NH3[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2017, 11(4): 594-602.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-017-1668-5
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/Y2017/V11/I4/594
Fig.1  SCR activity of MnOx/UiO-66 catalysts. Reaction conditions: 500 ppm NO, 500 ppm NH3, 5.0 vol-% O2, Ar to balance, gas flow rate=100 mL?min?1, GHSV= 50000 h?1, 50?310 °C
Fig.2  XRD patterns of UiO-66, MnOx/UiO-66-DP and MnOx/UiO-66-MM
SampleMn content /%BET surface area /(m2·g?1)Total pore volume /(cm3·g?1)Average pore width /nm
UiO-66?11330.602.11
5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP3.410080.552.17
8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP6.210580.592.24
12 wt-%-MnOx/UiO-66-DP8.310250.592.34
20 wt-%-MnOx/UiO-66-DP16.09090.582.58
MnOx/UiO-66-MM6.99850.552.23
Tab.1  Mn content and physical parameters of the MnOx/UiO-66 catalysts
Fig.3  SEM images of catalysts: (a) UiO-66; (b,c) 8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP; and (d) MnOx/UiO-66-MM
Fig.4  (a) TEM image; (b) high-angle annular dark field (HAADF) image and (c?f) element distributions of 8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP catalyst
Fig.5  XPS spectra of (a) Zr, (b) Mn and (c) O for the different catalysts
SampleSurface atomic concentration /%
MnOZrCOα / (Oα′+Oβ)Mn4+/Mn3+
Mn4+Mn3+Mn2+Oα 'OαOβ
8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP3.163.172.403.4110.3318.353.955.947.599.7
MnOx/UiO-66-MM0.931.450.924.0311.0218.556.356.848.864.1
UiO-668.377.673.461.579.164.8
Tab.2  Surface atomic concentrations for the different catalysts
Fig.6  The stability tests at 200 °C over the 8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP catalyst. Reaction conditions: 500 ppm NO, 500 ppm NH3, 5.0 vol-% O2, 100 ppm SO2 (when used), 5 vol-% H2O (when used), and Ar balance
Fig.7  XRD patterns of the 8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP catalyst after use with SO2, H2O and SO2+H2O and durability test for 24 h
SampleBET surface area /(m2·g?1)Total pore volume /(cm3·g?1)Average pore width /nm
8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP10580.592.23
After stability test for 24 h9650.542.24
After activity test with SO29570.542.25
After activity test with H2O9030.512.25
After activity test with SO2 +H2O8320.472.28
Tab.3  Physical properties of 8.5 wt-%-MnOx/UiO-66-DP catalyst after activity tests at 200 °C
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 
https://doi.org/10.1016/j.catcom.2015.08.011
2 Liu C, Shi J W, Gao C, Niu C. Manganese oxide-based catalysts for low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3: A review. Applied Catalysis A, General, 2016, 522: 54–69
https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.04.023
3 Boningari T, Smirniotis P G. Impact of nitrogen oxides on the environment and human health: Mn-based materials for the NOx abatement. Current Opinion in Chemical Engineering, 2016, 13: 133–141 
https://doi.org/10.1016/j.coche.2016.09.004
4 Li J, Chang H, Ma L, Hao J, Yang R T. Low-temperature selective catalytic reduction of NOx with NH3 over metal oxide and zeolite catalysts—A review. Catalysis Today, 2011, 175(1): 147–156 
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2011.03.034
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 
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.11.082
7 Ma T, Takeuchi K. Technology choice for reducing NOx emissions: An empirical study of Chinese power plants. Energy Policy, 2017, 102: 362–376 
https://doi.org/10.1016/j.enpol.2016.12.043
8 Liu C, Gao G, Shi J W, He C, Li G, Bai N, Niu C. MnOx-CeO2 shell-in-shell microspheres for NH3-SCR de-NOx at low temperature. Catalysis Communications, 2016, 86: 36–40
https://doi.org/10.1016/j.catcom.2016.08.003
9 Yu C, Dong L, Chen F, Liu X, Huang B. Low-temperature SCR of NOx by NH3 over MnOx/SAPO-34 prepared by two different methods: A comparative study. Environmental Technology, 2016, 38(8): 1030–1042 
https://doi.org/10.1080/09593330.2016.1216170
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 NOx SCR at low temperature. Applied Catalysis A, General, 2016, 522: 120–129 
https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.05.002
11 Kang M, Park E D, Kim J M, Yie J E. Manganese oxide catalysts for NOx reduction with NH3 at low temperatures. Applied Catalysis A, General, 2007, 327(2): 261–269 
https://doi.org/10.1016/j.apcata.2007.05.024
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 
https://doi.org/10.1016/0926-3373(93)E0034-9
13 Yang S, Qi F, Xiong S, Dang H, Liao Y, Wong P K, Li J. MnOx 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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.08.023
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 
https://doi.org/10.1016/S1001-0742(12)60109-0
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 
https://doi.org/10.1007/s10562-015-1556-x
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 
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2012.04.019
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 
https://doi.org/10.1021/ie060484t
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
https://doi.org/10.1016/0926-3373(92)80055-5
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 
https://doi.org/10.1039/C5CS00307E
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 
https://doi.org/10.1002/anie.201601782
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 
https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.10.003
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 
https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.01.019
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 
https://doi.org/10.1002/chem.201502033
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 
https://doi.org/10.1021/ja8057953
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 
https://doi.org/10.1021/jacs.5b02276
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 
https://doi.org/10.1039/C1CP23434J
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcata.2015.08.028
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 
https://doi.org/10.1021/la302869m
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 
https://doi.org/10.1021/am402305u
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 
https://doi.org/10.1021/ja404514r
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 
https://doi.org/10.1039/C4CE01672F
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 
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b01045
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 
https://doi.org/10.1021/jp077387d
35 Zhang X, Wang P, Wu X, Lv S, Dai J. Application of MnOx/HNTs catalysts in low-temperature NO reduction with NH3. Catalysis Communications, 2016, 83: 18–21 
https://doi.org/10.1016/j.catcom.2016.05.003
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 
https://doi.org/10.1002/chem.201003211
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 
https://doi.org/10.1021/cm1022882
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 
https://doi.org/10.1557/jmr.2016.283
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 
https://doi.org/10.1039/c2cc34620f
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
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03637
41 Andreoli S, Deorsola F A, Pirone R. MnOx-CeO2 catalysts synthesized by solution combustion synthesis for the low-temperature NH3-SCR. Catalysis Today, 2015, 253: 199–206 
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2015.03.036
42 Fang D, Xie J, Hu H, Yang H, He F, Fu Z. Identification of MnOx species and Mn valence states in MnOx/TiO2 catalysts for low temperature SCR. Chemical Engineering Journal, 2015, 271: 23–30 
https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.02.072
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 
https://doi.org/10.1007/s11244-011-9695-9
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 
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2012.01.003
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 NOx by NH3. Journal of Catalysis, 2016, 334: 1–13 
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2015.11.013
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 
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2015.09.024
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 NOx with NH3. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 115-116: 100–106 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2011.12.019
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 NOx with NH3. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(40): 26817–26826 
https://doi.org/10.1021/acsami.6b08851
[1] Mehraneh Ghavami, Mostafa Aghbolaghy, Jafar Soltan, Ning Chen. Room temperature oxidation of acetone by ozone over alumina-supported manganese and cobalt mixed oxides[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2020, 14(6): 937-947.
[2] Xinlei Liu. Metal-organic framework UiO-66 membranes[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2020, 14(2): 216-232.
[3] Xiangfeng Peng, Zhenhai Wang, Zhao Wang, Yunxiang Pan. Multivalent manganese oxides with high electrocatalytic activity for oxygen reduction reaction[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(4): 790-797.
[4] Zhao Peng, Li-Hua Chen, Ming-Hui Sun, Pan Wu, Chang Cai, Zhao Deng, Yu Li, Wei-Hong Zheng, Bao-Lian Su. Template-free synthesis of hierarchically macro-mesoporous Mn-TiO2 catalysts for selective reduction of NO with NH3[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 43-49.
[5] Yinlong Hu,Shuang Zheng,Fumin Zhang. Fabrication of MIL-100(Fe)@SiO2@Fe3O4 core-shell microspheres as a magnetically recyclable solid acidic catalyst for the acetalization of benzaldehyde and glycol[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2016, 10(4): 534-541.
[6] Nadeen Al-Janabi,Abdullatif Alfutimie,Flor R. Siperstein,Xiaolei Fan. Underlying mechanism of the hydrothermal instability of Cu3(BTC)2 metal-organic framework[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2016, 10(1): 103-107.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed