碱金属与过渡金属在同时催化消除碳烟和氮氧化物中的协同效应

由于柴油发动机具有低油耗、低排放和高功率等特性，轻型车和小轿车柴油机化已成为汽车行业发展的方向。但是柴油车排放的碳烟和氮氧化物（NOx），给大气环境和人类健康造成了严重的危害。利用催化方法可达到同时去除这两种污染物的目的。本项目拟选用碱金属（Li，Na，K，Cs等）和过渡金属（Cu，Co，Mn，Ni等）共掺杂的MgAl水滑石基复合氧化物作为催化剂，重点考察碱金属和过渡金属的协同效应对碳烟-NOx共消除反应的影响机制。首先利用表征手段研究碱金属和过渡金属的相互作用对催化剂理化性质的影响，构建这种相互作用与催化剂活性的关联；再利用原位测试技术，并结合动力学计算，考察在这种相互作用下碳烟-NOx共消除反应的机理和路径；最后，利用价键理论和电子理论从本质上揭示这种相互作用造成的催化剂活性提高的内因，为此类催化剂的设计提供理论指导。在汽车尾气污染日益严重的今天，该项目具有重要的环保意义。

探讨了碱金属（Li, Na, K, Cs）与过渡金属（Cu, Co, Mn）之间不同强度的相互作用对水滑石基复合氧化物催化碳烟燃烧活性的影响机制；重点研究了K的负载量对Mn掺杂的水滑石基氧化物催化碳烟-NOx共消除过程的影响，明确了K与Mn之间相互作用对碳烟燃烧过程的促进机理。另外在Mn基催化剂的基础上掺杂Ce，考察了其对催化活性的促进效果，并考察了实际工况下NOx对催化碳烟燃烧活性的影响以及O2和NOx气氛下碳烟燃烧方式的区别；为确认含K催化剂的机理普适性，我们将MgAlO水滑石基复合氧化物简化为普通的单一氧化物（MgO, CeO2, ZrO2），考察了负载碱金属K催化剂的碳烟燃烧活性，证明了其催化活性位，研究了其对氧的活化。利用原位红外发现了烯酮物种，证明了该中间物种具有一定的普适性，并与理论计算结果相符。最后对宏观的活性氧研究深入到微观的电子转移上，由此在我们提出的氧溢流机制的基础上，从实验和理论两方面证明了上世纪50年代提出、后来仅在2001年的一篇综述中提及的电子转移机理。