氮氧化物储存还原与选择性催化还原耦合技术研究

Oxides of nitrogen (NOx) in the atmosphere, as key precursory pollutants, induce the formation of haze. Nowadays, catalytic purification of NOx emission from vehicle exhausts, particularly emission from diesel engines, is one of the hot topics in environmental catalysis, and it is also the top urgent target of air pollution control in China. In this project, NOx storage reduction coupled with selective catalytic reduction of NOx will be employed for NOx control emission from vehicles particularly at low temperatures. CexZr1-xO2 based NSR catalysts with intimate contacts of active components and the ones derived from perovskite oxides with high surface area will be investigated on the basis of the high tunability of oxygen vacancies in the two types of oxides. The effect of CexZr1-xO2 morphology on active sites for NO oxidation and on the transformation channels for adsorbed nitrate will be studied, as well as the influence of heteroatom introduction. By careful measurements of the distribution and mobility of noble metals and surface property adjustment, the strategy for the improvement of thermal stability and sulfur-tolerance of NSR catalysts will be proposed. Based on the above result, the intrinsic properties related to the sequence reaction of NO oxidation, nitrate adsorption and its further desorption, and NO reduction would be investigated. The optimization of the NSR-SCR system for NOx conversion with high efficiency will be performed with particular attention paid to the formation of ammonia.

氮氧化物（NOx）是灰霾形成的重要前体污染物。控制以柴油车为代表的机动车尾气NOx排放是当今环境催化领域的研究热点与我国大气污染治理的迫切需求。本项目以NOx储存还原耦合选择性催化还原组合技术（NSR-SCR）—这一低温高效的NOx净化组分技术为研究对象，以XRD、TEM、DRIFTS、EXAFS、TPSR、TAP、PAS、反应动力学研究为主要手段，以氧空穴的形成及调控为主线，明确载体形貌与异质原子引入对NO反应活性位点、吸附态NOx转移通道的调变规律；考察贵金属组分的分布及可迁移性、载体表面属性调节对NSR催化剂热稳定性与耐硫再生的影响；建立NSR反应中“NO氧化—吸附存储—分解脱附—还原”的内在机制；以此为指导，构建NO氧化/还原与NOx储存活性位紧密耦合的铈锆基、高比表面钙钛矿型NSR体系；以氨的形成及调控为线索，研究并获取NSR与后置SCR催化剂的匹配的最佳条件。

氮氧化物（NOx）是灰霾、光化学烟雾形成的重要前体污染物。控制以柴油车为代表的机动车尾气NOx排放是当今环境催化领域的研究热点与我国大气污染治理的迫切需求。本项目以NOx储存还原耦合选择性催化还原组合技术（NSR-SCR）—这一低温高效的NOx净化组分技术为研究对象，开展了氧化铝基、二氧化铈基NSR催化剂与铁铈钛（FeCeTi）、银/氧化铝（Ag/Al2O3）SCR催化剂的设计与构效关系研究。发现与传统的氧化铝相比，以纳米氧化铝为载体合成的NSR催化剂上贵金属与储存组分（Pt-Ba）、储存组分与载体（Ba-Al）之间存在强的相互作用，这一强相互作用的存在加速了稀燃条件下亚硝酸盐、硝酸盐的形成，促进了富燃条件下吸附态NOx的溢流与还原，从而呈现出优异的NSR性能。发现以二氧化铈纳米棒为载体合成的Pt/BaO/CeO2催化剂上，催化剂表面氧空位含量、PtOx和近Pt位表面铈的还原温度和NOx储存量之间存在较好的线性关系，揭示了氧空位以及Pt和CeO2之间的强相互作用在NOx储存过程的重要作用。Pt/BaO/CeO2催化剂上氧空穴的浓度越高，Pt-CeO2相互作用越强，促进了表面活性氧物种的流动性，提高了NOx储存容量和NOx还原效率。铁钛复合氧化物催化剂中添加稀土元素铈（Ce），有效提高其催化NH3选择性催化还原NOx（NH3-SCR）的活性和选择性。Ce的添加增加了NH3-SCR反应能垒，却促进了Fe和Ti的分散，增加了催化剂表面的活性位点数量即指前因子，促进了NOx吸附和弱吸附的氨物种的形成，有利于L-H反应路径的进行。Ag/Al2O3催化氨选择性还原NOx的过程中，氢气作为反应物，参与了NOx的还原：2NO + 2NH3 + 2O2 + 3H2 = 2N2 + 6H2O（H2-NH3-SCR）。反应动力学的研究显示，该反应源于NO在Ag0的氧化吸附与NH3在氧化铝表面OH位的吸附活化，随后吸附态NOx迁移至载体表面，形成最终产物N2，遵循L-H机理；反应的决速步为氢气参与的氧化态Ag（Ag+）的还原。.基于上述研究成果，发表研究论文16篇，其中SCI研究论文15篇；申请发明专利2项。