多活性位点高分散型柴油车DPNR催化剂的构建及反应机制研究

Diesel exhausts emission is one type of important air pollutants causing haze weather and photochemical smog. Catalytic after-treatment technology is the key to eliminate the pollutants from the source. The development of low-cost, highly efficient and durable diesel DPNR catalysts is essential to meet the increasingly stringent diesel emission standard. This project focuses on the multifunctional DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction system) technology, which aims to widen the operating temperature window and improve the sulfur-resistance ability. Layered double hydroxides (short for LDHs), with layered structures, controllable compositions and performances, show high potential as alternative DPNR catalysts precursors. The key components in the traditional DPNR catalysts including redox site (noble metals), storage site (well dispersed MgO particles or other alkaline earth metal compounds) and support can be integrated in the LDHs structures. The novel highly dispersive DPNR catalysts with multiactive sites for diesel exhausts purification can be obtained via LDHs routes. The high dispersion of active components may result in a large fraction of active surface sites, improved activity and stability. The redox properties, acidic & basic properties and porous properties of the catalysts can be tailored through isomorphous replacement of the cations in the LDHs precursors in order to obtain synergetic effects in the soot oxidation and NSR reactions. A deep insight in the relationship between the catalysts structure and catalytic activity will be given through various modern technologies. The mutual effects between soot oxidation and NSR reactions under the cyclic lean/rich conditions will be investigated. After this research, the scientific basis for a new generation of highly efficient diesel DPNR catalyst can be provided.

柴油车尾气排放是造成城市灰霾和光化学烟雾污染的重要原因，尾气催化后处理是消除污染物排放的关键。本项目以多功能的柴油车尾气净化DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction system)催化剂为研究对象，以拓宽催化剂活性温度窗口，改善抗硫稳定性为目标，采用层状双氢氧化物（LDHs）纳米材料为前体，将活性贵金属-碱金属-载体等组分耦合起来，在同一催化前驱物上实现新型DPNR催化剂组成和性能的集成。利用LDHs层结构和大表面积对活性元素的分散和锚定作用，调变NOx存储成分，优化氧化还原组分，改进Mg(Al)O载体，期望获得活性位点丰富、活性组分高分散的新型DPNR催化剂。建立催化剂组成和结构、酸碱性质和氧化还原能力、表/界面性质和DPNR性能之间的构效关系，阐明抗硫作用机理；研究贫富燃交替条件下碳烟燃烧和NOx存储还原的相互作用，揭示污染物同时催化净化的反应机制。

柴油机是目前交通运输的主要动力来源，而柴油机车尾气则是重要的大气污染移动源，多功能尾气催化净化是柴油车降碳减污的发展方向。本项目利用层状双氢氧化物（LDHs）的层结构和大表面积实现对活性元素的分散和锚定作用，获得了多活性点位高分散的新型DPNR催化剂（Pt-Ba/MnMgAl体系、Pd-K/CuMgAlFe体系、Pt/MgAlO+Ba/CeO2体系等），在一个催化剂床层上实现多功能污染物催化净化的耦合集成；建立了催化剂组成和结构、酸碱性质、氧化还原能力、表/界面性质和DPNR性能之间的构效关系，阐明了催化作用机理；研究了碳烟燃烧和NOx存储还原的相互作用，揭示了污染物同时催化净化的反应机制。本项目研究成果为柴油车尾气深度净化和降碳减污提供了重要的技术支撑，为设计新一代高效DPNR催化剂提供了有效的科学依据。. 主要研究内容及成果总结如下：①利用LDHs化学组成的可调变性，引入活性氧化还原组分，主要是过渡金属（Cu/Mn/Fe等），与贵金属形成氧化还原的协同效应，既提高了NOx存储的低温活性，又降低表面硫酸盐的分解温度，同时贵金属与过渡金属形成双金属结构，提高抗硫性能；②采用碱性弱于Ba的碱土金属Mg作为NOx存储组分，通过LDHs前驱体制备MgAlO复合氧化物，降低NOx存储形成的硝酸盐的稳定性，拓宽工作温窗；③依靠大表面积MgAlOx载体对活性组分的分散和锚定作用，提高活性组分的分散度，增强金属与载体的相互作用，改善了抗硫性能；④MgAlOx酸碱性的调变中，通过LDHs前驱体的不同焙烧温度、碱金属种类和含量变化等方面调控酸碱性提高了催化剂活性和抗中毒能力；⑤通过催化剂预处理活化形成Au/CeO2基催化剂金属-载体强相互作用力，提高了低温催化CO氧化的活性和稳定性，为设计和制备兼具高稳定性和选择性可调节的负载型金催化剂提供了新的研究思路。. 围绕新型DPNR催化剂的设计制备、性能、构效关系和反应机理共发表国内外学术期刊论文22篇，其中SCI论文19篇（包含2篇中国科技期刊卓越行动计划期刊论文），EI中文期刊论文1篇，第一标注的SCI/EI论文12篇；项目负责人及课题组成员共参加国内外学术会议22人次，发表会议论文17篇，口头报告5次；申报国家发明专利6项，获得省部级科技奖励6项；培养博士、硕士研究生12人；圆满完成了项目申报书制定的各项研究目标。