用于柴油车SCR/DPF组合体系(SDPF)同时净化NOx和PM排放的催化剂研究

The SDPF system which consists of an NH3 selective catalytic reduction (NH3-SCR) catalyst coated onto a wall-flow diesel particulate filter (DPF) is one of the emerging technologies for simultaneous NOx and PM abatement from diesel exhaust. The SDPF system is a relatively new area. The development of suitable catalysts is crucial for this technology. In this project, the influence of components contents, crystalline structure on SCR performance and thermal stability of Ce-based oxides will be investigated. By the study of catalytic performance and thermal stability of oxide catalysts as well as the characterization of crystalline structure, phase transformation during thermal aging, we hope to develop Ce-based catalysts which have high SCR activity and excellent thermal stability, and can benefit for PM oxidation. The catalytic performance of Cu small pore zeolites will be adjusted by modification the synthesis method and introduction second metal. The effect of pore structure of Cu small pore zeolites and active species on the SCR reaction pathways under high NO2/NOx ratio will be studied. The interplay between the SCR reactions and the oxidation of PM in SDPF systems based on Ce-oxides and Cu small pore zeolites will be investigated. These results will provide new ideas and theoretical basis for optimizing and designing highly efficient catalysts for application of SDPF system.

将氨选择性催化还原(NH3-SCR)催化剂涂敷到柴油车颗粒物捕集器(DPF)上的SDPF系统是同时净化柴油车NOx和PM排放的新兴技术之一。研发适用于SDPF系统的催化剂是该技术的关键。本项目通过研究铈基氧化物的组成、晶形结构与SCR反应性能和热稳定性的关系，结合Ce基氧化物在热老化过程中微晶结构和晶形转变等表征，设计具有高SCR活性、热稳定性且有助于PM氧化反应的Ce基氧化物催化剂；通过合成方法优化和金属助剂添加调节Cu基小孔分子筛的催化性能，考察铜小孔分子筛的孔结构和活性组分对该催化剂在高NO2/NOx比例时SCR反应途径的调变规律；研究Ce基氧化物和Cu基小孔分子筛用于SDPF系统时SCR反应与PM氧化之间的相互影响。本项目的研究结果将对优化和设计合成适用于SDPF系统的NH3-SCR催化剂提供思路和理论依据。

将氨选择性催化还原(NH3-SCR)催化剂涂敷到柴油车颗粒物捕集器(DPF)上的SDPF系统是柴油车后处理的一项新技术。可用于SDPF系统的SCR催化剂必须具备优良的水热稳定性和NH3-SCR活性。本项目针对具有潜力用于SDPF系统的SCR催化剂开展了研究。 .Cu-SSZ-13催化剂当前已实际应用于的柴油车后处理NH3-SCR系统。一步合成法制备的富铝Cu-SSZ-13具有优异的NH3-SCR活性，但其较低的 Si/Al(～4)不利于高温水热稳定性。通过在稀土金属盐溶液对Cu-SSZ-13进行离子交换，发现引入少量的稀土元素(Ce或Sm）提高了富铝Cu-SSZ-13的高温水热稳定性。揭示了稀土修饰提高Cu-SSZ-13水热稳定性的主要原因是位于CHA笼中的Ce或Sm离子提高了铜活性物种的稳定性。.Cu-SAPO-34催化剂具有优异的高温水热稳定性，但暴露于低温（<100oC)含水气氛会发生一定程度的失活。研究发现Cu-SAPO-34的晶粒尺寸对其低温水热稳定性有重要影响。晶粒尺寸较小的 Cu-SAPO-34在低温水热处理后表现出更优的稳定性。Cu-SAPO-34在低温水热处理中会发生孤立的二价Cu 物种被水攻击形成Cu(OH)2，并与骨架外的铝形成非活性的CuAl2O4 物种。与大晶粒的样品相比，在晶粒尺寸较小的Cu-SAPO-34晶粒表面铜物种浓度较低。因此，在低温水热处理后小晶粒分子筛表面保留了更多的铜活性物种。.研究了Fe-ZSM-5的NO2/NO-NH3-SCR低温反应机理。揭示了NO氧化在催化剂表面形成硝酸盐和亚硝酸盐是低温NH3-SCR反应的必经步骤，亚硝酸盐是关键中间体。发现在低温SCR反应中，Lewis 酸性位点上吸附的氨（Fe-NH3）反应活性高于Brønsted酸性位点上吸附的铵根离子。在低温时 NO2 与氨反应生成的硝酸铵覆盖Fe-ZSM-5催化剂表面，导致快速SCR反应被抑制。 .通过将W掺杂到CeZrOx中，获得了具有高水热稳定性的Ce-W-Zr复合氧化物催化剂。发现Ce-W作为SCR活性位点既紧密耦合又高度分散，CeWZrOx催化剂在水热老化中形成新相铈锆固溶体和Ce4W9O33，这使得CeWZrOx催化剂在高温水热老化后仍保留了较好的氧化还原性能和表面酸性。.本项目的研究成果对进一步优化可用于SDPF的NH3-SCR催化剂