柴油车尾气净化用高性能NH3-SCR催化剂基础研究

Nitrogen oxides (NOx) in the atmosphere, as the key precursor pollutants, have been proven to induce the formation of photochemical smog and haze. Nowadays, catalytic purification of NOx emission from vehicle exhausts, particularly from diesel engines, is one of the hottest topics in environmental catalysis. In this project, we focus on the typical catalysts employed for the selective catalytic reduction of NOx with NH3 (NH3-SCR) reaction. By the study of catalytic performance, hydrothermal stability and sulfur durability of oxide catalysts as well as the characterization and simulation of microcrystalline structure, surface acid and redox sites, and the NH3-SCR reaction mechanism, we hope to accurately understand the interaction between redox sites and acid sites and the structure-activity relationship of oxide catalysts during the SCR reaction. By examining the effects of molecular sieve preparation methods, silica-alumina ratio, pore size, species and distribution of active components, we will identify the key factors regulating catalyst activity, hydrothermal stability and poisoning resistance. The potential results should lead to a deeper understanding of the reaction mechanism of the SCR reaction over oxide and zeolite catalysts and the principles for designing catalysts with high performance to meet the demanding requirements of diesel exhaust purification.

氮氧化物（NOx）是光化学烟雾和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排放是我国大气污染治理的迫切需求，也是当今环境催化领域的研究热点。本项目以氨选择性催化还原NOx (NH3-SCR)的催化剂体系为研究对象，通过对氧化物催化剂的SCR反应性能、微晶结构、表面酸性位、反应机理的精确表征与理论模拟，明确氧化物催化剂上氧化还原位和表面酸性位在SCR反应中的协同作用及其构效关系；通过调控分子筛制备方法、硅铝比、活性组分物种和分布, 甄别影响催化剂活性和水热稳定性的关键因子；阐明分子筛孔道尺寸设计对催化剂抗中毒性能影响的规律。该项目的研究成果将有助于加深对SCR催化原理和催化剂构效关系的理解，指导金属氧化物和分子筛催化材料设计以提升催化剂低温活性、高温热稳定性和耐硫中毒能力，满足柴油车尾气净化对高性能SCR催化剂的苛刻要求。

氮氧化物（NOx）是光化学烟雾和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排放已成为我国大气污染治理的主战场，也是当今环境催化领域的研究热点。针对柴油车用氮氧化物选择性还原（NH3-SCR）催化剂对低温活性、热稳定性等的苛刻要求，以双位点紧密耦合为主线，辅以量子化学模拟，系统开展了经典钒基氧化物、非钒过渡金属氧化物、新型小孔分子筛NH3-SCR催化剂的设计、创制与构效关系研究，主要研究进展如下。. 确立了双位点紧密耦合的金属氧化物NH3-SCR催化剂设计原则，实现了钒基NH3-SCR催化剂的再设计，显著提升了低钒SCR催化剂低温性能，并成功指导了多种新型非钒氧化物催化剂的设计合成，并揭示了过渡金属氧化物SCR活性存在差异的内在原因。基于双位点稳定化调控，合成了新型非钒基三元金属复合氧化物NH3-SCR催化剂，实现热稳定性显著提升。创新合成方法，构筑双位点极限耦合的Cu-SSZ-13催化剂，实现了Cu-SSZ-50等新型小孔分子筛NH3-SCR催化剂的创制；揭示了二价铜物种向CuOx的积聚和分子筛结构的破坏是Cu-SSZ-13催化剂水热老化失活的主要原因。. 基于上述研究成果，发表SCI论文60篇，其中，第一标注SCI 论文22 篇；申请发明专利18 项，其中4项获得授权。以双位点紧密耦合的金属氧化物NH3-SCR催化剂设计原则为首要发现点，获得了2019年国家自然科学二等奖。双位点紧密耦合原则也指导了柴油车尾气净化用钒基催化剂的工业化生产，研发的技术产品满足国四、国五标准，在国产中重型柴油车上实现了大规模应用。双位点极限耦合原则指导了富铝型Cu-SSZ-13催化剂放大合成与性能优化，产品满足了柴油车国六排放标准。以上成果为我国NOx的深度减排提供了技术支撑，以“通过氮氧化物深度减排，协同控制细颗粒物和臭氧污染”为题的国家自然科学基金委信息获采用，并报送中央办公厅和国务院办公厅。