配位不饱和MOFs低温SCR催化脱硝反应机理的分子模拟研究

New catalyst investigation for low temperature Selective Catalytic Reduction (SCR) of NOx is of great significance. Metal-organic frameworks (MOFs) as a new type of hybrid porous materials have attracted extensive attentions in recent years. The reaction mechanism of SCR in coordinated unsaturated MOFs with open metal sites was unknown. In this project, we propose using multi-scale molecular simulation combined experimental method to reveal the reaction mechanism of SCR in MOF with open metal sites. The reactant adsorption and activation mechanism will be systematically investigated. The roles of open metal site, organic linker, functional group, pore and topology of MOFs and electronic structures on the reactant activation will be studied. This project will shed light on the MOF application in SCR and provide theoretical supports for high performance catalyst development.

研究开发新的低温SCR脱硝催化材料对解决环境污染具有重要的科学意义和实用价值。金属有机骨架材料（MOFs）作为一种新型的催化材料正备受关注。目前，关于配位不饱和MOF材料在低温SCR脱硝反应中的催化作用机制的研究国内外少有报告。本课题拟采用多尺度模拟及原位实验表征手段，探索含配位不饱和金属位的MOF材料的催化脱硝反应机理；揭示反应物气体与MOF的作用规律，及反应气体吸附和活化机制，并进一步探讨金属位、有机链、官能团、孔道及拓扑结构等微观结构和电子结构对活化机制的影响，揭示其关键影响因素，为低温SCR反应催化剂的设计提供科学的理论依据。

NOX排入大气引发的一系列环境问题严重影响人类健康，污染治理刻不容缓，因此研究开发新的低温SCR脱硝催化材料对环境保护具有重要的科学意义和实用价值。本项目前期研究工作发现配位不饱和的MOF材料具有很高的SCR催化活性。然而目前，关于配位不饱和MOF材料在低温SCR脱硝反应中的催化作用机制尚不明确。为探明MOF用于脱硝反应中的反应机理，本项目通过计算机模拟和实验验证的方法，对SCR 反应中气体组分在MOF 催化材料中的吸附特性、表面相互作用规律及活化机制进行研究，主要研究了含有脱硝活性金属组分Mn-，Co-，Cu-，Fe-的系列含不饱和金属位的Mn、Co-MOF-74和 Cu-MOFs的低温脱硝反应性能，发现Mn-MOF-74具有很高的催化活性，因此进一步研究了Mn-MOF-74的SCR反应机理及抗水抗硫性能，同时研究了MIL-100-Fe的脱硝反应机理。并在此基础上，为了改善MOFs材料的稳定性及抗水抗硫性能，研究了高稳定性MOF材料UiO-66及MnOx/UiO-66复合材料的低温脱硝反应性能。研究发现金属在含不饱和金属位的MOF-74中和传统金属氧化物中表现出明显的性质差异，即在MOF中对反应气体的吸附和活化能力远远强于氧化物。在Mn-MOF-74中，SCR反应过程遵循E-R反应机理，更倾向于快速SCR反应路径。但MOF-74本身稳定性较差，项目通过掺杂第二金属和官能团改性的方法，减弱了材料与水的作用力，有效提高了其水稳定性。本项目不仅为新型低温脱硝催化剂的开发提供了新的思路，更在环境和化工领域有着潜在的应用价值，对环境改善和人类健康有着极其重要的意义。