Fe-分子筛催化剂在氮氧化物转化反应中的构效关系研究

Fe-zeolites with extra-framework iron species exhibit very good performances in the catalytic conversion of nitrogen oxides and already show their great potential for industrial application. As for the reactions of nitrogen oxides catalyzed by Fe-zeolites, it is very important to know the structure-activity relationship, which is very useful for future catalyst design. Therefore, we will focus on the structure-activity relationship of Fe-zeolite catalysts in the conversion of nitrogen oxides in this project. Extensive researches, e.g. the preparation of catalysts, the characterization of active sites, the study of reaction mechanism and catalytic application, will all be included in the project. Specifically, operando spectroscopy will be employed in the study of nitrogen oxides conversion over Fe-zeolite catalysts to provide us the dynamic information on the activity iron sites in Fe-zeolites and surface reaction intermediates, as well as the transient kinetics data. All the information will be sumarized to deduce the reaction mechanism and to obtain reliable structure-activity relationship of Fe-zeolites in the catalytic conversion of nitrogen oxides. The researches of this project are of great significances not only for the basic theory in heterogeneous catalysis, but also for the industrial application of Fe-zeolites.

含有骨架外Fe物种的Fe-分子筛在氮氧化物转化中表现出优异的性能，具有极强的应用背景。对于Fe-分子筛催化的氮氧化物转化反应，获悉催化剂在反应中的构效关系十分重要，其结果可直接用于指导催化剂的设计。本项目将围绕Fe-分子筛催化剂在氮氧化物转化反应中的构效关系开展研究，研究内容涵盖催化材料制备、催化活性中心的表征、催化反应机理以及催化反应应用等方面。我们将实时实空间谱学技术应用于Fe-分子筛催化的氮氧化物转化反应研究中，同时获取反应过程中Fe-分子筛催化剂Fe活性中心的动态信息、催化剂表面吸附反应中间物种的信息以及瞬态动力学信息，从而获得Fe-分子筛催化剂在氮氧化物转化反应中可靠的构效关系，解决多相催化领域公认的难题。本项目的研究对于多相催化基础理论以及Fe-分子筛催化剂的工业应用都具有重要的参考意义。

含有骨架外Fe物种的Fe-分子筛在氮氧化物催化转化中表现出优异的性能，但对于其构效关系认识仍存在较大争议，很大程度上限制了Fe-分子筛材料的理性设计。本项目中，我们针对这一关键科学问题开展研究，在Fe-分子筛制备与表征、Fe-分子筛在氮氧化物转化反应中催化应用、催化反应机理研究等方面取得一系列成果，完成了既定的研究目标。我们成功开发离子交换、金属有机化学反应、固态金属离子取代以及原位合成法在分子筛中构筑Fe物种，通过制备方法以及工艺参数调控分子筛中Fe物种的构成；通过组合谱学技术结合化学吸脱附实验实现对Fe-分子筛中骨架外复杂Fe物种的定性与定量分析，建立了分子筛中具有复杂化学组成物种的表征方法学；将Fe-分子筛成功应用于氮氧化物催化转化反应中，获得高性能Fe-MFI分子筛催化剂应用于N2O氧化丙烷脱氢反应，丙烯生成速率12.5毫摩尔/克/小时，单程稳定活性>40小时；获得高性能Fe-BEA分子筛催化剂应用于NH3选择催化还原NO反应（NH3-SCR），60000/小时空速下，400摄氏度时NO转化率>90%，稳定活性>400小时，可与目前工业化催化剂体系相比；搭建实时实空间谱学分析平台，实现对Fe-分子筛在氮氧化物转化反应中的构效关系研究，揭示MFI分子筛骨架外Fe-O-Al物种作为N2O氧化丙烷脱氢反应活性中心，BEA分子筛骨架Lewis酸性Fe中心作为NH3-SCR反应活性中心，MFI分子筛结构限域亚铁离子/寡核FexOy簇作为NH3-SCR反应活性中心。上述研究对于沸石分子筛催化领域具有重要参考意义，相关成果在ACS Catal、Appl Catal B、Green Chem、Catal Sci Technol等本领域权威期刊上发表论文12篇，获授权专利1项。