被动NOx吸附与选择性催化还原结合用于消除柴油车NOx的研究

Nitrogen oxide (NOx) is one of the important precursors that cause the increase of haze and ozone concentration. The effective control of NOx emission is an urgent need for air pollution control in China. In this project, passive NOx adsorption (PNA) and selective catalytic reduction (SCR) are combined to reduce NOx emission from diesel exhaust in consideration of the low deNOx efficiency at low temperatures (<200℃). By optimizing the performance of PNA and broadening the operating temperature window of SCR, NOx is adsorbed by PNA at low temperature, and desorbed at the temperatures which are just within the active temperature window of SCR, so as to be transformed into N2. The main research contents include the preparation, performance and mechanism of Pd-based zeolite PNA and Cu-based zeolite SCR catalyst with high activity, as well as the matching effect between PNA and SCR catalysts. In particular, the molecular mechanisms of NOx adsorption/desorption on PNA and SCR reaction are revealed in practical applications rather than in model catalytic systems by using in situ and operando technologies (including electron microscope, IR, Raman, XPS and XAFS) and density functional theory (DFT) calculations. A new system for NOx removal at low temperature is created, which provides strong technical support for the implementation of China VI emissions standard for diesel vehicle.

氮氧化物（NOx）是造成灰霾和臭氧浓度升高的主要前体物之一，有效控制NOx排放是我国大气污染治理攻坚战的紧迫需求。本项目针对柴油车排放NOx低温（<200℃）去除效率低这一瓶颈问题，将被动NOx吸附（PNA）技术与选择性催化还原（SCR）技术相结合，通过PNA性能优化及SCR活性温度窗口拓展，使NOx在低温时被PNA吸附，而脱附温度正好达到SCR低温活性窗口，从而转化为N2。主要研究内容包括高活性Pd基微孔分子筛PNA和Cu基微孔分子筛SCR催化剂的制备、性能和机理，以及两者匹配作用效应。特别地，利用in situ和operando技术（电镜、IR、Raman、XPS和XAFS），并结合密度泛函理论（DFT）计算，在实际应用而非模型催化体系下，揭示NOx在PNA上吸附/脱附和SCR反应的分子机制，创制NOx低温去除新体系，为柴油车国VI标准的实施提供强有力的技术支撑。

氮氧化物（NOx）是形成细颗粒物和臭氧两大环境污染问题的主要元凶之一，有效控制NOx排放是我国大气污染治理的重点和难点。近年来，移动源排放已超过工业源，成为我国NOx污染的首要来源，柴油车排放量则超过移动源排放总量的80%，因此，柴油车尾气排放是NOx污染防治的重中之重。本项目针对柴油车排放NOx低温（<200℃）去除效率低这一瓶颈问题，将被动NOx吸附剂（PNA）和选择性催化还原（SCR）催化剂用于NOx去除。开发了低Pd含量、高NOx吸附量的Pd-SAPO-34小孔分子筛PNA，明确了NOx吸附位及抗水中毒作用机制；发明了异质晶转晶法低成本制备SSZ-13小孔分子筛，并实现小试生产，在所得SSZ-13母体分子筛的基础上，制备了高Cu含量、高分散、宽窗口的Cu-SSZ-13分子筛SCR催化剂，NOx转化率在175-600℃范围内均超过90%，探讨了Cu-SSZ-13催化剂反应机理和水热老化机制；利用缺陷工程在廉价易得且环境友好的α-Fe2O3中制造大量氧缺陷，提高了低温SCR活性及抗水抗硫性能，提出了Fe3+和氧空位耦合的Fe2+同原子双核活性位以及相应的NH3-SCR反应机理；探索了暴露晶面对氧化物纳米晶催化剂低温氧化NO性能的影响，通过控制Mn2O3纳米晶的形貌调节其暴露晶面，获得不同的NO氧化性能，利用实验和理论计算相结合揭示了不同暴露晶面低温催化氧化NO反应机理的差异。项目开发的Pd基小孔分子筛PNA在低温下大量吸附NOx，升温脱附时能与开发的SCR催化剂活性温度窗口相匹配，可实现在低温以及较宽温度范围内NOx的高效去除，满足柴油车NOx排放控制的迫切需求，为开发高性能柴油车NOx后处理系统提供重要的科学依据和理论基础，也为柴油车日益严格排放法规的实施提供强有力的技术支撑。