近日，西京学院材料与新能源学院双碳技术研究所“降碳减污-协同增效”核心科研团队冯祥波教授团队在国际化工领域顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院一区TOP期刊，影响因子12.5）上发表题为“Synergistic roles of intrinsic and extrinsic iron in enhancing the activity and SO₂/H₂O resistance of a coal fly ash-supportedVWTi SCR catalyst”的重要研究成果。冯祥波教授为论文第一通讯作者，西京学院为第一完成单位。该研究成功开发出一种以燃煤电厂固体废弃物——粉煤灰（CFA）为主要载体的新型高效脱硝催化剂，在实现氮氧化物（NO_x）高效净化的同时，大幅降低了催化剂成本，为我国工业烟气治理和固废资源化利用提供了全新路径。

NO_x是严重危害大气环境和人类健康的主要污染物之一，燃煤电厂是其重要来源。目前，工业上广泛采用的V₂O₅-WO₃/TiO₂（VWTi）催化剂虽具有优异的脱硝性能，但其生产需消耗大量TiO₂载体材料。近年来TiO₂价格持续上涨，给工业规模化应用带来了严峻的成本挑战。与此同时，作为燃煤发电的主要副产物，粉煤灰的年产量逐年攀升，然而其综合利用率仍然偏低，大量粉煤灰被堆存废弃，不仅占用耕地，还易造成环境污染。

针对这一困境，冯祥波教授团队创新性地提出以粉煤灰部分替代TiO₂作为催化剂载体。研究团队通过将粉煤灰、TiO₂与铁粉进行高速球磨混合，再通过浸渍法负载钒（V）和钨（W）活性组分，成功制备出一系列VWTi/CFA-Fe催化剂。在该催化剂中，粉煤灰占比高达64.6 wt%，大幅降低了传统VWTi催化剂的生产成本。研究结果表明，最优配比的VWTi/CFA2-Fe5%催化剂在300–450°C温度范围内NO_x转化率保持在90%以上，即使在1000 ppm NO、1000 ppm NH₃、5% O₂及高空速（GHSV=30,000 h^-1）的严苛条件下依然表现优异。更令人瞩目的是，该催化剂在500 ppm SO₂和10% H₂O同时存在的恶劣工况下，NO_x转化率仅下降4%，仍能维持在90%以上。实验还发现，当切断SO₂和H₂O供应后，催化剂活性可在1小时内完全恢复，表明其失活主要为可逆的竞争吸附机制，而非不可逆的硫酸盐化或结构破坏。

图1  VWTi/CFA-Fe催化剂的设计制备与脱硝性能

研究团队通过系统的实验表征与密度泛函理论（DFT）计算，首次深入揭示了粉煤灰中本征铁（I-Fe）与外加铁（E-Fe）的协同作用机制。研究发现，外源铁主要以Fe³⁺形式存在，通过电子调控显著增强了催化剂对NH₃的吸附能力——Fe³⁺的引入使d带中心从-0.25 eV上移至-0.19 eV，NH₃吸附能降至-5.644 eV，实现了自发且稳定的NH₃吸附。而粉煤灰中的本征铁主要以Fe²⁺形式存在，能有效抑制SO₂在催化剂表面的吸附，从而大幅提升抗硫中毒能力。此外，Fe³⁺和Fe²⁺均能降低H₂O的吸附能，其中Fe³⁺效果更为显著。

图2  理论计算揭示Fe³⁺和Fe²⁺的协同作用机制

该催化剂的制备工艺简单、原料来源广泛、易于规模化放大，在工业烟气脱硝领域具有广阔的应用前景。这一成果不仅为粉煤灰高值化利用开辟了新路径，更实现了“固废资源化”与“大气污染物减量化”的有机统一，是循环经济和新质生产力在环保领域的具体体现，有力推动了传统煤电行业向绿色、低碳、高效方向转型升级。

近年来，西京学院材料与新能源学院双碳技术研究所紧密围绕国家重大战略需求，坚持基础研究与应用转化并重，持续在环境催化与大气污染控制领域产出高水平成果。冯祥波教授表示，团队未来将继续围绕能源与环境功能材料设计开展攻关，推动污染物治理技术从实验室向产业转化，为我国大气污染治理和新型绿色能源发展提供关键技术支撑。面向未来，团队将继续扎根西部、面向全国，以科技创新赋能绿色发展，为打赢蓝天保卫战、建设美丽中国贡献更多“西京智慧与力量”。