文 章 信 息

第一作者：石河子大学化学化工学院研究生崔丹、唐赢

通讯作者：于锋教授、Pfeiffer教授

DOI:10.1016/j.mcat.2025.115265

文 章 简 介

近日，石河子大学于锋教授研究团队的一项研究成果为工业脱硝和氢能源应用开辟了新路径。该团队在寻找高效、经济且环保的氮氧化物（NOx）净化方法上取得了重要突破，相关工作以“Unravelling a new non-noble metal supported catalyst (CuO-Fe₂O₃/TiO₂) for NO selective catalytic reduction with H₂”为题在发表于《Molecular Catalysis》杂志。

研 究 背 景

氮氧化物（NOx）的排放对环境和人类健康构成了严重威胁，可导致酸雨、光化学烟雾以及呼吸系统疾病等问题。因此，开发有效的NOx净化技术至关重要。选择性催化还原（SCR）技术由于其高效性和可靠性，已成为去除NOx的主要手段之一。该技术通过使用还原剂，如氨（NH₃）、一氧化碳（CO）或碳氢化合物，在催化剂的作用下将NOx转化为无害的氮气（N₂）和水（H₂O）。然而，传统SCR技术存在诸如氨泄漏和二氧化碳（CO₂）生成等问题，限制了其进一步应用。

在此背景下，氢气（H₂）作为一种清洁、高效的还原剂受到了广泛关注。随着可再生能源技术的发展，氢气的生产变得更加可行和可持续。但是，目前H₂-SCR 技术中使用的催化剂多为贵金属基，成本高昂，阻碍了其大规模工业应用。

本 文 要 点

石河子大学于锋教授研究团队在长期探索中，发现了一种新型非贵金属催化剂——CuO-Fe₂O₃/TiO₂。实验表明，该催化剂在低温条件下展现出了卓越的催化活性。在300 ℃时，NO转化率可达100%，同时氮气选择性超过95%。值得注意的是，氨气仅在高于 300℃时才会生成，这意味着在低温区间内，该催化剂能够精准地将NO转化为氮气，极大减少了氨气副产物的产生，符合当前日益严格的环保要求。

与传统的贵金属催化剂，如铂（Pt）、钯（Pd）相比，这种新型催化剂不仅成本大幅降低，还在低温环境下表现出更为优异的催化性能。通过详细的实验分析和先进的表征技术，研究团队揭示了Cu-Fe之间的强相互作用，这种相互作用促进了Cu⁺和Fe³⁺的形成与稳定，增加了活性位点数量，从而显著提升了催化活性。

该研究的另一大亮点是，氢气作为还原剂的应用为氢能源在环保领域的拓展提供了新的思路。经济可行性分析显示，使用氢气处理NOₓ的成本仅为传统氨气还原剂的约15%，显著降低了工业脱硝的运行成本。此外，生命周期评估（LCA）结果表明，以氢气为还原剂的系统，其全球变暖潜能（GWP₁₀₀）仅为每千克NOₓ减排0.18kg二氧化碳当量，远低于其他还原剂系统，充分彰显了其环境友好性。这项研究成果有望在火力发电厂、水泥厂等多个行业广泛应用，有效降低氮氧化物排放，减少环境污染。同时，它也将推动氢能源在工业环保领域的深入应用，助力实现工业绿色转型和可持续发展。

图 文 分 析

图1.NO加氢催化生成N2或NH3。

图2.（a）XRD谱图、（b）H2-TPR谱图、（c）NO-TPD和（d-f）XPS谱图。

图3.催化剂的性能测试：（a）NO转化、（b）NH3选择性、（c）N2选择性、（d）N2O浓度、（e）NO2浓度和（f）稳定性及抗中毒性能。

图4.CuO-Fe₂O₃/TiO₂催化剂的原位红外谱图：（a）在不同温度下NO在催化剂上的吸附谱图和（b）在不同温度下NO+H2的共吸附谱图。（c）NO在CuO-Fe₂O₃/TiO₂表面进行H₂-SCR反应的路径图,（d）NO在CuO-Fe₂O₃/TiO₂表面氨化反应的路径图。

图5.经济可行性分析：（a）在不同还原气氛下，CuO-Fe₂O₃/TiO₂催化剂每吨NOx减少的成本及其比例，（b）不同还原气体系统对环境影响的18项指标对比。