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理论计算研究NH3-SCR分子筛催化剂中Brønsted酸性位的作用

批准号:
22103089
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
刘冲
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘冲

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
氨气选择性还原(NH3-SCR)是目前消除柴油机排放NOx的主流技术。金属Cu负载的分子筛催化剂具有优异的NH3-SCR活性和应用前景。分子筛催化剂中的B酸位对NH3-SCR反应有重要影响,但其作用的微观机理尚不明确。本项目拟以Cu/SSZ-13分子筛为基础,采用计算化学方法研究NH3-SCR分子筛催化剂消除NOx过程中微观反应机理,重点考察分子筛B酸位在NH3-SCR反应中的作用。发展同时包含Cu金属位和B酸位的更接近真实反应条件的复杂分子筛计算模型,研究NH3-SCR过程中NO2/NO反应物比例效应、失活物种NH4NO3的形成和转化、考察B酸位与金属Cu位点的作用差异及不同位点之间的协同效应等,为实现合理调控催化剂结构及优化设计反应体系提供理论依据。
英文摘要
The selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NOx) by NH3 (NH3–SCR) is a key technology to control NOx emissions from diesel engine. A small-pore Cu-exchanged zeolites with high NH3–SCR activity are promising for this purpose. The presence of Brønsted acid sites in zeolites has an important effect on the NH3-SCR reaction, but their mechanistic role remains unclear. In this project, I will use computational approaches to study the reaction mechanism of NH3–SCR of NOx over Cu-based zeolites with emphasis on the role of Brønsted acid sites (BASs). I will develop computational zeolite models containing both Cu sites and BASs to better represent the catalyst structure under realistic conditions and then investigate the effect of NO2/NO ratio, the formation and decomposition of deactivating NH4NO3 species during NH3-SCR reaction. The reactivity of Cu sites and BAS as well as their synergetic effect will be explored to build the complete reaction network of NH3-SCR. The obtained knowledge will provide fundamental basis for the rational control and design of efficient NH3-SCR systems.
氨气选择性催化还原(NH3-SCR)是消除柴油尾气中氮氧化物(NO和NO2)的关键技术。过渡金属修饰的分子筛类NH3-SCR催化剂因其高活性,在学术界和工业界备受关注。小孔分子筛Cu/SSZ-13(CHA拓扑结构)已实现商业化,但其催化NH3-SCR反应机理仍存在诸多未解之谜,例如金属Cu位和B酸位在不同反应条件下的作用以及催化循环机理等。本项目以密度泛函理论(DFT)计算为主要手段,深入探讨了Cu/SSZ-13分子筛催化NH3-SCR的反应机理。研究重点在于揭示B酸位在NH3-SCR转化NO2和NO中的作用机制,并提出了标准SCR(4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O)和快SCR(2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O)的金属-B酸位双位点催化循环机理。研究发现,在标准SCR过程中,Cu(II)活性物种能够活化NO,生成NO+或HONO中间体,这些中间体随后迁移至分子筛B酸位上与氨气反应,最终生成氮气和水。在快SCR过程中,Cu位点主要催化NO2/NO混合物转化为HONO,HONO中间体进一步在B酸位上与氨气反应,生成最终产物氮气和水。此外,项目还深入研究了Cu分子筛中Cu(II)物种的自还原现象,并分析了分子筛骨架Al落位和拓扑结构对自还原反应机理的影响。本项目的研究成果揭示了Cu位点和B酸位在NH3-SCR反应中的协同作用机制,为深入理解Cu分子筛催化剂性能及后续设计优化NH3-SCR过程提供了重要参考和理论支持。
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