当今道路上的重型柴油卡车配备了后处理系统，该系统包括选择性催化还原(SCR)技术，该技术使用尿素溶液作为还原剂，以减少发动机排气在到达排气管之前的有害氮氧化物(NOx)排放。SCR依靠催化剂来帮助将NOx气体化学转化为氮气，水和少量二氧化碳。

像其他任何受自然法则约束的事物一样，催化剂(可以有效地实现所需反应的材料)往往会减慢它们的使用时间。西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家与华盛顿州立大学和清华大学的研究人员合作，发现了高级铜基催化剂性能下降的背后机制。研究小组的发现以ACS Catalysis杂志的封面为特色，可以帮助设计在NOx转化过程中效果更好且使用寿命更长的催化剂。

初步结果显示异常

最新的研究始于挥之不去的奥秘。在2017年的一项研究中，研究人员使用电子顺磁共振(EPR)来检查一种最先进的催化剂Cu / SSZ-13的原子级行为。Cu是铜，SSZ-13是沸石，这是一种由二氧化硅制成的微小结构，具有笼状结构，并与铜相连。

EPR是一种光谱学，可以帮助阐明某些材料的电子活性和内部结构。在这项研究中，研究人员使用了环境分子科学实验室(EMSL)提供的EPR，该实验室是位于PNNL的能源部科学技术办公室的用户设施。

EPR光谱技术，再加上其他一些技术的测试，使人们对Cu / SSZ-13在高温下的出色稳定性有了新的认识，这是使其成为后处理系统如此诱人的成分的原因之一。但是EPR研究也显示出令人困惑的异常现象。在经过人工老化以模拟现实世界中的老化条件的催化剂样品中，EPR光谱中出现了磁信号。

PNNL物理科学部的资深科学家，两项研究的合著者高峰说：“这个问题在三年前发表之后，我们的想法就一直存在。” “那微弱的信号到底是什么?”

最新研究表明，接近证明存在问题

Cu / SSZ-13由充当“活性位点”的铜组成，NOx在此与SCR的尿素溶液中的氨发生相互作用。这种相互作用形成无害的氮气和水。在最新研究中，研究人员在EMSL上进行了另一轮成像，并将其与理论模型相结合，以找出催化剂老化后铜离子的变化。

这项新的分析得到了能源部能源效率和可再生能源办公室，车辆技术办公室的支持，该分析表明，一些铜离子正在SSZ-13沸石支撑笼内迁移，并在迁移过程中彼此靠近。铜离子之间的这种接近产生了研究人员在2017年观察到的奇怪信号。

但是事实证明，这种见解并不能说明全部情况。产生如此微小的EPR信号的铜量太少，不足以解释研究人员在老化样品的反应测试中看到的催化剂活性的两倍下降。更大的事情正在发生。

老化的铜催化剂紧贴支撑

该小组又进行了一次成像，这次是进行操作性EPR，其中在发生SCR反应的同时对催化剂进行了扫描。在反应过程中，铜从一种氧化态转变为另一种氧化态，然后又返回，失去并获得电子，在科学上称为“氧化还原循环”。在新鲜的催化剂样品中，这种循环很快发生。但是，在老化的样品中，操作EPR显示出高百分比的铜被困在一种氧化状态下，即循环较慢。

“催化剂老化后，所有的铜离子都会自行重定位。对于大多数人来说，这种重定位非常微妙，以至于光谱学几乎无法捕获任何变化。这就是为什么我们特别感谢那些急剧迁移的铜离子的原因，”高说。他解释说，那一小部分引起了奇怪的EPR信号，使人们可以更好地理解大局。

那么，为什么老化的催化剂没有那么活泼呢?他说：“沸石载体在重新定位后，可以更牢固地保持所有处于各种氧化态的铜。” “这就像铜被锁在牢房里一样，这种流动性的缺乏使它们的反应性降低了。”

了解更多有关Cu / SSZ-13等催化剂如何失活的信息，可以为提高其寿命的解决方案开辟道路。高说，科学家可以优化催化剂中活性位点的数量，并考虑可以阻止铜和其沸石载体之间随着时间推移而形成的过度舒适关系的添加剂。

这项研究“通过原位EPR光谱，动力学研究和DFT计算方法在水热老化过程中研究Cu / SSZ-13 SCR催化剂中的活性部位迁移”已发表在ACS催化杂志上。

免责声明： 本文由用户上传，如有侵权请联系删除！

标签： 铜离子杂乱