氮氧化物是主要的大气污染物之一,氨选择性催化还原(SCR)技术是控制固定源氮氧化物排放的一种有效措施。由于氮氧化物的污染问题日益严重,我国在“十二五”计划中明确提出了氮氧化物排放总量的控制指标。从我国国情出发,宽活性温度窗口的脱硝催化剂的开发是我国自主脱硝技术的研究方向。本文在V2O5/TiO2催化剂基础上进行非金属改性载体的研究,以拓宽其活性温度窗口,并获得更好的脱硝性能,使其适用于不同的烟气状况。采用X射线衍射谱(XRD)、激光拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、H2-程序升温还原(H2-TPR)、NH3-程序升温脱附(NH3-TPD)、电子顺磁共振谱(EPR)和原位红外光谱(DRIFTS)等多种表征手段系统地分析了改性后催化剂的组成、结构及与活性之间的关系,深入研究了掺杂的非金属元素对V2O5/TiO2催化剂的改性机理。采用溶胶-凝胶法对TiO2载体进行了氟掺杂改性实验,通过浸渍法将活性组分V205负载于载体上,得到V2O5/F-TiO2催化剂。研究表明,氟掺杂能够提高活性组分的分散性,并增加表面活性氧物种的浓度,促进NH3的吸附和活化。活性测试结果表明氟掺杂能有效地提升催化剂在513K之前的脱硝活性。理论模拟结果证实氟掺杂可以降低Ti02表面氧缺陷的形成能,即O原子与表面结合强度越弱,催化剂表面越易形成氧缺陷,缺陷的形成可以提高V205的氧化还原能力。分子模拟计算发现氟掺杂可引入额外的、与光照无关的固定的带电氧空位,氧气易吸附于空位上形成超氧自由基。本文着重利用EPR这一简便、灵敏的手段考察了催化剂表面超氧自由基的稳定性,并深入探讨了其在SCR反应的初期阶段,反应物吸附过程以及反应过程中的促进作用及其特性的变化,辅以XPS谱进行鉴定,分析了超氧自由基与催化性能之间的关联。针对氟掺杂促进V2O5/TiO2催化剂上超氧自由基的生成,并加强了反应气在催化剂表面的吸附与活化的实验结果,进行了硫掺杂对V2O5/TiO2催化剂SCR脱硝性能的研究。实验结果表明,硫是以阴阳离子共掺杂的形式进入Ti02晶格,主要以S6+和S2-的形式存在,掺杂催化剂中S与V、Ti之间发生了强烈的相互作用,导致活性组分的分散性更好,催化剂表面的超氧自由基和还原性物种大幅度增加,显著地提高了NOx的脱除效率,且其活性温度窗口也进一步向低温区拓展。基于以上研究结果,本文同时考察了F、S共掺杂对催化剂脱硝性能的影响。通过制备F和S共掺V2O5/TiO2催化剂,研究了共掺杂对催化剂脱硝性能的影响。实验发现,F、S共掺杂可以明显降低V2O5/TiO2催化剂的起活温度,而且催化活性优于F或S单掺杂的效果,这主要归因于共掺杂的协同效应能够大幅度增加催化剂表面氧空位的浓度,促进NH3在催化剂表面的吸附和活化,同时大量超氧自由基的存在也使得更多的NO氧化为N02,这对SCR催化性能的提高是非常有利的,尤其是提高催化剂低于513K的NOx脱除率。本文通过系统的研究,开发了适用于较宽温度区间工作的非金属改性的V2O5/TiO2催化剂,该催化剂制备方法简单、起活温度低、活性高,重点是发现催化剂表面超氧自由基的浓度在一定范围内与NOx的转化率成正比,并探讨了超氧自由基对催化活性的作用机理,为今后SCR催化剂的进一步改进提供了一定的理论和实验依据。