氮氧化物(NO_x)是主要的大气污染物之一,其会对生态环境和人体健康产生不利影响。氨选择性催化还原氮氧化物(NH3-SCR)技术是一种有效的NO_x去除技术,在固定源的烟气脱硝和移动源的机动车尾气NO_x去除领域均有良好的应用。针对商业V2O5-WO3/TiO2催化剂温度窗口窄、高温条件下N2选择性差、成本高以及对环境造成二次污染等问题,本论文设计开发了高效且价格低廉的环境友好型铁基复合氧化物催化剂。通过各种表征手段和理论计算分析了铁基复合氧化物的物理化学性质,揭示了催化剂结构与NH3-SCR活性之间的构效关系,并采用原位红外光谱技术及质谱技术探讨了催化剂上吸附物种的形成及其反应行为。取得的主要研究成果如下:(1)通过表面活性剂辅助法制备了一系列具有高比表面积的介孔铁铈复合氧化物(FexCe1-xOC2-δ)催化剂。XRD和Raman结果表明铁掺杂到氧化铈中可形成铁铈固溶体(Fe-O-Ce结构),导致了催化剂活性的提高及活化能的降低。其中,Fe0.4Ce0.6O2-δ催化剂的SCR反应活化能最低(26 kJ·mol-1)且催化性能最优(在250到350℃反应温度范围内NO_x转化率大于80%)。XPS和DFT计算结果表明,Fe-O-Ce结构的形成促进了 Fe3+与Ce4+之间的电子相互作用,有利于增加催化剂的Lewis酸性位和提高催化剂的氧化还原性。当铁添加量较少时(0<x<0.3),可通过空位补偿机制形成铁铈固溶体且氧空位显著增加,从而提高了催化剂的SCR反应活性。当铁添加量较高时(1>x ≥ 0.3),可通过间隙位补偿机制形成铁铈固溶体同时出现间隙位Fe3+物种。间隙位Fe3+物种具有富电子性有利于NO氧化成NO2,改善铁铈催化剂的催化性能。(2)设计开发了在宽工作温度窗口内具有优异NH3-SCR性能的铁钨复合氧化物(Fe1-xWxOδ)催化剂。其中,Feo.75W0.25Oδ催化剂活性最佳,在225至450℃温度范围内NO_x转化率可维持在90%以上。同时,该铁钨催化剂还具有较高的热稳定性和优良的抗高空速能力。钨物种的引入有利于形成较小颗粒的α-Fe2O3和FeWO4物种。FeWO4具有八面体[FeO6]/[WO6]结构可提供丰富的Br(?)nsted酸性位,有利于NH3吸附活化形成NH4+物种。结合DFT计算与XPS和UV-vis结果发现,α-Fe2O3和FeWO4之间的界面电子相互作用促使电子从W6+位点转移到Fe3+位点,有利于NO2活性物种的生成。因此,铁钨催化剂的高活性归功于α-Fe2O3和FeWO4物种之间的协同作用。(3)采用原位红外光谱技术探究了铁钨(FeW)催化剂的NH3-SCR反应机理。结果表明,在低温区(≤250℃),NO2、配位NH3和NH4+为主要的吸附物种,它们之间反应形成的中间产物NO2(NH3)2和NO2(NH4+)2复合物可以与NO反应产生N2和H2O。因此,该FeW催化剂的低温NH3-SCR遵循"快速SCR"反应路径,其中NO氧化生成NO2是该反应的速控步骤。在高温区(≥250℃),配位NH3和NH4+为主要的吸附物种而NO主要以气态形成参与反应。配位NH3/NH4+物种和NO之间反应形成NH2NO中间物种,进一步反应以产生N2和H2O,遵循Eley-Rideal(E-R)反应机理。(4)通过红外光谱和程序升温等技术系统研究了硫化过程对FeW催化剂结构、反应性能以及机理的影响。在低温区间内(<300℃),硫化作用抑制了 NH3-SCR活性,而在高温(≥300℃)下反应活性没有明显变化。经过硫化作用,FeW催化剂上形成了具有共价S=O键的硫酸盐物种。结合TPD与原位红外光谱测定的数据发现,S=O共价双键的强吸电子效应,增强了催化剂金属物种的Lewis和Br(?)nsted酸性,有利于配位NH3、NH4+吸附物种和硝酸盐的生成。在低温区,NO2的形成因硫化过程受阻导致"快速SCR"路径被切断,从而低温SCR活性有所损失;在高温区,硝酸盐吸附物种的形成,使SCR反应遵循 Langmuir-Hinshelwood 反应机理。