石河子大学代斌教授团队ASS文章：负载型Ce基CO-SCR催化剂的脱硝性能与密度泛函理论研究

氮氧化物（NO_x）的排放容易光化学烟雾、酸雨以及对人类呼吸系统的负面影响等危害，引起了人们的广泛关注。选择性催化还原（SCR）脱硝技术已被认为是最有效和最广泛应用的手段之一。其中，CO-SCR脱硝技术可以有效去除烟气中的NO_x和CO，引起了研究人员的广泛关注。

石河子大学化学化工学院代斌教授（点击查看介绍）团队长期致力于负载型催化剂的构筑和应用研究。特别是以具有二维层状结构的新疆特色蛭石矿产资源为载体（Mater. Res. Express, 2019, 6, 102002），相继研究了乙炔氢氯化催化剂（Chin. Chem. Lett., 2015, 26, 1101-1104）、低温甲烷化催化剂（Fuel, 2016, 171, 263-269; Chin. J. Chem. Eng., 2018, 26, 1873-1878.）、低温NH₃-SCR催化剂（Catalysts, 2018, 8, 100; Chem. Eng. J., 2021, 422, 130099）和冰壶催化剂（Green Chem. Eng., 2021, DOI: 10.1016/j.gce.2021.03.002）。

近日，该团队以蛭石为载体，系统地研究了不同过渡金属掺杂的负载型Ce基CO-SCR催化剂TM-Ce/VMT（TM=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等）的脱硝性能与密度泛函理论研究。研究表明：（1）不同过渡金属与Ce的协同作用对改变了催化剂活性中心的分布。其中，Zn、Cr和Fe掺杂降低了催化剂的CO-SCR催化活性，而Fe、Mn、Ni、Co和Cu掺杂提高了催化剂的CO-SCR催化活性。（2）通过d-轨道自旋分析和DFT计算模拟了TM-Ce/VMT的分子吸附和反应途径。其中，气态N₂O的出现会降低N₂的选择性，Mn、Ni、Co和Cu的掺杂有利于抑制N₂O的解吸，从而提高N₂的选择性。（3）影响TM-Ce/VMT催化活性的主要因素是TS反应势垒和O_v。其中，CuO和CeO₂之间的协同作用，有利于促进Cu–O–Ce界面的生成，含活性氧的表面O_v较为丰富，可以提供更多的活性位点。

图1. 负载型Ce基CO-SCR催化剂TM-Ce/VMT（TM=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等）的SEM图。

图2. 负载型Ce基CO-SCR催化剂TM-Ce/VMT（TM=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等）的TEM图。

图3. 负载型Ce基CO-SCR催化剂TM-Ce/VMT（TM=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn等）的CO-SCR脱硝性能（NO =500 ppm，CO:NO=2:1， GHSV=102,000 h⁻¹，平衡气体为N₂）。

图4.（a）NO分子在CeO₂（111）和TM-CeO₂（111）表面吸附的差分电荷密度和吸附能，以及相应的电荷从CeO₂（111）和TM-CeO₂（111）向NO的转移。（b）NO吸附在CeO₂（111）和TM-CeO₂（111）上的分波投影态密度（PDOS），显示了过渡金属与NO之间的σ和π相互作用，其中费米能级（E_F）为0 eV。

图5.（a）优化的O_v几何结构；（b）晶格氧还原CO在CeO₂（111）和TM-CeO₂（111）表面形成O_vs的能量分布。

图6.（a–k）NO+NO在CeO₂（111）表面反应的反应路径；（l）在TM–CeO₂（111）表面生成的*N₂O物种的活化能和反应能；（m）N₂O解吸到气相的解吸能和N₂O解离为N₂的解离能。

相关工作在Applied Surface Science 上发表。论文第一作者硕士研究生刘志松，通讯作者于锋教授、王强教授和代斌教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Transition-metal‐doped ceria carried on two-dimensional vermiculite for selective catalytic reduction of NO with CO: Experiments and density functional theory

Zhisong Liu, Feng Yu* Dong Dong, Rongrong Gui, Wenjian Li, Ruobing Sun, Yinji Wan, Jianming Dan, Qiang Wang*, Bin Dai*

Appl. Surf. Sci., 2021, 566, 150704, DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.150704

导师介绍

代斌

https://www.x-mol.com/university/faculty/24622