水滑石基稀燃氮氧化物吸附捕集（LNT）催化剂对柴油机排气氮氧化物的催化反应特性及反应机理的研究

At present, lean NOx trap (LNT) is one of the most effective methods to reduce the NOx emissions from light-duty diesel engines.This project focuses on the related basic theories for the diesel NOx abatement used hydrotalcite-based LNT catalysts. In this study, advanced chemical testing methods, theoretical calculation and engine test techniques will be performed to explore the effects of reaction conditions on the adsorption-reduction and selectivity of NOx on the LNT catalysts. Meanwhile, the effects of physical and chemical properties of catalysts and diesel engine operating conditions on the surface activity sites of LNT catalyst,the transition state species and micro-reaction mechanism will be investigated. The evolution of intermediate reaction products, such as NH3, will be analyzed during reaction process. New theory models for NOx adsorption-reduction reaction on the hydrotalcite-based LNT catalysts will be constituted as well. Under the diesel engine operating conditions, the performance of new LNT catalysts will be studied, and the catalyst deactivation mechanisms will be revealed. The results obtained in the present work are significantly important for further reducing NO emissions from diesel engines and meeting more and more stringent emission norms in both theory and practice.

稀燃氮氧化物捕集（LNT）技术是目前解决中、小型柴油机氮氧化物排放的最有效方法之一。项目围绕新型水滑石基LNT催化剂应用于柴油机NOx控制的相关基础理论问题，采用先进的化学测试手段、理论计算和发动机试验技术，研究反应条件对LNT催化剂吸附-还原反应催化活性及选择性的影响规律，探求催化剂理化特性及柴油机排气条件对LNT催化剂表面活性过渡态物种及微观反应历程的影响机制，分析LNT反应过程中NH3等中间反应产物的转化规律，构建新型LNT催化剂催化氮氧化物吸附-还原反应的理论模型。同时，在真实柴油机排气条件下开展新型LNT催化剂催化吸附-还原反应规律的研究，并揭示催化剂在柴油机排气条件下的失活机理。研究结果对今后进一步降低柴油机NOx排放，满足更加严格的排放法规，具有重要的理论意义和潜在的实际价值。

稀燃氮氧化物捕集（LNT）技术是解决中小型柴油机和稀燃汽油机NOx排放重要的技术方案之一。目前，以Pt-Ba/Al2O3催化剂为核心的现有LNT技术在发动机上的应用中存在NOx捕集能力、还原反应催化活性及抗失活性能低等方面的不足之处，需进一步改进。鉴于此，该课题针对水滑石基（hydrotalcite，HT）LNT催化剂，采用化学测试及量子化学模型计算等研究方法，进行了催化剂样品物理化学特性、催化反应规律及NOx吸附-还原反应机理等研究。此外，还开展了催化剂失活机制的研究。在发动机实验台架上进行了柴油机LNT再生控制策略及NOx净化规律的探索。本课题研究成果为LNT技术在汽车发动机上进一步的应用提供必要的理论依据和实践经验。. 在系列催化剂样品中，Pt-Ba/HT-Cu0.2Fe0.5O催化剂各离子间表现出强化的电荷转移特性，这种特性提高了催化剂的氧化还原性能。与传统Al2O3基催化剂相比，此催化剂在低温段和高温段同时具有较好的的NOx捕集能力及还原效率，最佳NOx净化效率可达93%。. NOx在催化剂表面的吸附经历 “亚硝酸盐”和“硝酸盐”两种并行反应路径，其中“亚硝酸盐”吸附路径在NOx吸附过程中占主导作用。催化剂表面碳氢化合物还原NOx吸附物种反应遵循Langmuir–Hinshelwood机理。在反应中，NOx吸附物种的完全解离具有较高的反应能垒，因此，温度是影响催化剂表面NOx吸附物种分解-反应-脱附等行为的决定性因素。此外，催化剂表面积碳作为一种中间过渡态物种也参与了氧化还原反应。. 热老化过程会导致催化剂表面发生晶相结构变化及催化剂表面Pt粒子发生团聚，造成催化剂氧化还原活性降低。硫中毒失活的机理为SO2与催化剂表面碱性吸附位生成较高热稳定性的硫酸盐物种，从而降低了NOx吸附量。由于水蒸气能够与HT材料作用生成低活性物种，导致NOx在催化剂表面的捕集效率降低；同时，水蒸气会降低NOx吸附物种的热稳定性，使还原阶段初期NOx脱附量增加，导致NOx去除效率降低。. 水滑石基LNT催化器具有比传统型LNT催化器具有更高效的柴油机NOx净化效率。在发动机排气温度300-500°C区间，水滑石基LNT催化器对NOx转化效率可达到90%以上。