单斌教授在下一代机动车净化材料方面取得重要进展

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2021-08-29 17:08:43 作者: 所属分类:学术动态, 未分类 阅读: 248 views

机动车尾气污染是我国大中城市空气污染的重要来源,选择性还原(SCR)脱硝可有效地消除柴油车尾气中的NOx, 但过量的尿素喷淋导致了尾气中氨气的逃逸。考虑到泄漏氨气的危害,需在柴油车SCR末端安装氨逃逸催化器(ASC)。国五标准之前的法规对逃逸氨没有限值,ASC属于国六标准下催生的新型处理装置。

图1:柴油车尾气处理系统示意图

Pt/Al2O3是目前报导的综合性能最佳的逃逸氨消除催化剂,但Pt解离氧气能力强,容易过氧化NH3生成副产物NOx,对生成目标产物N2的选择性不佳。目前商用的解决方案是添加SCR层,将Pt基催化剂过氧化的副产物NOx与NH3反应转化为氮气,最终提升了催化反应的选择性。然而,其逃逸氨完全转化温度仍高于上游SCR尾气的温度。此外,ASC双涂层催化剂的工业生产工序复杂、催化剂成本高,进一步增加了柴油机尾气处理器的成本。因此,研发新型逃逸氨消除催化剂,设计新的反应路径,是突破目前Pt基催化剂在逃逸氨消除中低温活性不足和易产生副产物的关键。

  近日,华中科技大学材料学院单斌教授团队在国际催化知名期刊 J. Catal. 上发表了题为“Selective catalytic oxidation of ammonia over AMn2O5 (A=Sm,Y,Gd) and reaction selectivity promotion through Nb decoration”的研究工作,成功为解决下一代机动车尾气净化提供了一种全新的解决方案。

图2:莫来石催化剂TEM图像和EDX元素分析结果

氨选择性催化氧化(NH3-SCO)是一种有效的控制逃逸氨的技术,该过程需要一种成本低、活性强、选择性高、操作温度窗口宽的NH3-SCO催化剂。在本工作中,我们开发了一系列无贵金属莫来石基AMn2O5 (A =Sm, Y, Gd)催化剂,其NH3-SCO性能优于1.2 wt%Pt/γ-Al2O3催化剂。其中,SmMn2O5具有最佳的低温活性,在180°C下NH3转化率达97%,但对目标产物N2的反应选择性较低,不能满足应用要求。为了解其低温活性和反应机理,我们对SMO催化剂进行了原位红外表征和DFT理论计算。结果表明,在SMO催化剂上的NH3-SCO反应主要遵循酰亚胺反应机理,其中NH物种的数量对N2选择性有显著影响。基于此,我们对SMO进行了表面氧化铌的修饰,增强了对N原子孤对电子的吸引力。然而,过多的铌会覆盖SMO催化剂表面O2解离位点,从而牺牲一部分NH3氧化催化活性。在所有的改性SMO的催化剂之中, 5.0 Nb/ SMO样本显示了最佳的催化性能以及广泛的温度窗口180 ~ 250°C,180°C条件下的 NH3-SCO转换率为96%和N2选择性为68%, 代表了的现有的最佳的非贵金属氧化物催化剂。更重要的是,我们对酰亚胺机理的理解和成功的表面改性策略有助于设计高效的用于NH3排放控制的非贵金属氧化物催化剂。

图3:莫来石表面NH3-SCO反应路径示意图和催化性能图

文章链接:Selective catalytic oxidation of ammonia over AMn2O5 (A=Sm,Y,Gd) and reaction selectivity promotion through Nb decoration

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021951721003006

  该工作第一作者是材料学院博士生陈永杰,微纳材料设计与制造研究中心的杜纯讲师和单斌教授为共同通讯作者。工作得到了昆明贵研新材料科技有限公司和国家级(东营)稀土研究院的大力支持。