氧化铈基能级梯度材料导向光还原氮氧化物的原理和方法

Nitrogen oxides (NO, NO2) emitted from industrial sources are harmful atmospheric pollutants that are major causes of atmospheric haze, photochemical smog and acid rain. Therefore, it is very urgent to develop Low temperature, especially below 200 ℃ catalysts for selective catalytic reduction of NOx from flue gas of coal-fired power plants and exhaust of diesel engines. The objective of this work is to develop novel photoassisted intelligent-orientated catalysts for reduction of NOx at low temperature. The research will be focused on preparation of CeO2-based materials with gradient electron energy levels as photocatalyst. Multiple gradient electron energy levels will be created into CeO2 band gap by introducing oxygen vacancies, doping nitrogen atoms and semiconductors to extend the absorption to visible light range. The effects of biomimicking concentration will be obtained from the biotemplate which contains hierarchical porous structure. The synergic combination of electron-hole pairs and the dual redox cycles between the doping semiconductor and ceria increases the number of oxygen vacancies. Virtually, oxygen vacancies are usually the most active centers which enhance the selectivity of the reaction for N2 formation. The feasibility of simultaneous orientated removal of NOx with the novel CeO2-based materials with gradient electron energy levels will be investigated systematically. The different mechanisms derived from the different reducing agents and active centers will also be studied. This program will provide experimental and theoretical basis for the design and application of CeO2-based coupling photocatalyst for inhibiting atmospheric haze.

工业大量释放的氮氧化物产生了一系列破坏环境的酸雨、雾霾、光化学烟雾等大气污染物。因此，通过催化剂低温移除火电厂及柴油机发动机释放出的氮氧化物是目前的当务之急。然而，能在低温尤其是200 ℃以下选择性还原氮氧化物的催化剂依然还是空白。本项目针对这一现状，开发在低温下能导向光还原氮氧化物的氧化铈基能级梯度材料及技术。这种新型材料的设计理念是，使用含有丰富分级多孔结构的生物结构作为模板，制备具有仿生富集结构的材料；通过掺杂半导体、氮元素、氧空位等向氧化铈的禁带中导入多个梯度能级，使得材料能够吸收利用可见光；进一步控制掺入半导体材料中金属离子与铈离子组成的循环变价体系与光生电子空穴对协同稳定氧空位的含量，使催化剂表面高活性的氧空位大幅促进导向光还原生成N2。系统研究这一反应系统的导向光还原效率、活性位与还原剂的作用机理，为设计遏制雾霾的新型氧化铈基催化材料提供实验及理论基础。

近年来，工业和车辆释放的大量氮氧化物产生了一系列破坏环境的酸雨、雾霾，严重威胁着人们的身体健康。本项目针对氮氧化物的转化，采用富含富分级多孔结构的生物组织作为模板，合成了多种仿生分级多孔氧化铈基梯度能级材料。这类材料因梯度能级的匹配、生物碳、氮的存留、氧缺陷和纳米超薄层结构的增多，其对可见光的利用率得到的大幅提高，并具有较强的光还原能力。部分材料中因遗留的生物碳形成了石墨烯片层，能更快的传导光电子，使光电子-空穴对寿命延长，提升了光催化效率。研究表明氧化铈、氧化铜量子点增强了氧缺陷的浓度，形成了良好的共格界面，为光生电子建立了通畅的传递通道，促使氮氧化物导向光还原成无害的氮气。团队开创性地使用含有纤维素及蛋白质层菌丝的细胞壁为模板，吸引金属离子，并在煅烧过程中，放出微量氧，形成微小的晶核，经过水热调控可生长成为CeO2-CuO量子点/石墨烯管材料。这是一种低温下即能利用可见光将氮氧化物转化为N2的特殊材料，由于其能利用至650 nm的可见光，因此，在90 °C时便能发生光还原反应，在200 °C以下其导向光还原N2转化效率可达80 %。目前已在国内外重要学术刊物上发表论文18篇（其中SCI 论文16篇，ACS Sustainable Chemistry & Engineering和Catalysis Science & Technology的IF大于5，并在属于Nature Index的重要期刊Inorganic Chemistry发表论文1篇，EI论文2篇，申请国家发明专利4项，授权4项，培养硕士研究生4名，博士研究生1名，博士后1名）