金属修饰的多级孔分子筛上N2O催化消除性能、反应过程和机制研究

The abatement of nitrous oxide is one of the most important tasks to control the greenhouse gas emission. Catalytic elimination is the mainstream technology to realize the reduction of N2O. Conventional metal-modified zeolite catalysts exhibit excellent catalytic performance, but there are still some problems:(1) the catalytic activities are difficultly improved due to the limited active sites formed by the narrow pore channels;(2) little effort is focus on studying the catalytic performance and reaction mechanism under complex reaction systems, especially for the simultaneous abatement of N2O and NO. In this proposal, aiming at the shortage on the preparation of catalytic materials and the investigation of reaction mechanisms, we study the controllable synthesis of hierarchical zeolite and the metal modification. On this basis, we comprehensively evaluate the catalytic performance in several reaction systems; detailedly analyze the generation and evolution of reaction intermediate species; deeply discuss the reaction process and mechanisms. In addition, the reaction kinetic is also studied. Finally, the relationship of "composition/structure-physicochemical properties-catalytic performance-reaction mechanism" is established. Moreover, the catalytic activities under simulated operating conditions are evaluated to assess the potential application in the future. This project is the cross and combination of material science and pollution control. The research achievement could supply new idea and choice for N2O elimination.

氧化亚氮的消除是实现温室气体减排任务的重要组成部分，催化消除技术是实现N2O减排的主流技术。传统的金属修饰的沸石分子筛催化材料具有较好的催化性能，但仍存在问题：（1）微孔分子筛狭窄的孔道结构限制反应活性位的生成，催化活性难以明显提高；（2）复杂反应体系下材料的催化性能和反应机制的研究还有待深入，特别是N2O、NO联合消除的研究还较少。本课题针对现有研究在材料制备和反应机制探讨等方面的不足，研究了多级孔分子筛材料的可控合成和金属改性的规律。在此基础上，系统考察催化材料在多种反应体系中的催化性能，详细剖析反应中间物种的生成和演变规律，深入探讨反应过程和机制，同时研究反应动力学，最后建立催化材料的"结构组成-物化性质-催化性能-反应机制"的内在关联。另外，评价了材料在模拟工况条件下的催化性能和潜在的应用前景。本课题是材料科学和污染控制领域的交叉与结合,研究成果为N2O的催化消除提供新思路和可能。

氧化亚氮（N2O）作为一种重要的大气污染物，对其环境友好消除是当前大气污染控制领域的研究难点之一，催化分解技术是实现N2O消除的主流技术之一。传统的金属修饰的微孔分子筛催化材料由于具有较好的中高温活性，成本低廉、易制备，且NO存在对其活性有促进作用，是目前该领域的研究热点。然而由于分子筛载体的微孔结构，限制活性金属组分在孔道内的修饰，从而其性能难以满足实际工况需求。本课题针对传统催化材料存在的问题，研究构建具有不同结构形貌、孔隙发达及良好传质性能的多级孔分子筛的可控构筑规律，在此基础上，重点研究N2O的催化行为，采用先进表征手段深入研究决定活性的关键因子，阐明材料物化性质与其催化性能的内在关联，并在模拟工况条件下研究材料的催化性能和稳定性，分析其潜在应用前景。主要的研究结果如下：.(1) 经过酸处理的ZSM-5和Beta分子筛得到的催化材料性能得到一定程度的提高。表征结果表明不同分子筛载体的酸刻蚀方式不同。对于ZSM-5分子筛的刻蚀由外向内逐层刻蚀，对Beta分子筛的刻蚀主要体现为分子筛外层的刻蚀和无定形物种的去除。.(2) 碱处理对于不同性质的ZSM-5分子筛多级孔结构的构建较明显，催化消除性能的提高幅度较大。其中，由固相合成法获得的ZSM-5分子筛经过碱处理后，在NO存在条件下，其催化活性和商用的ZSM-5分子筛材料相当，具有较好的工业应用的潜力。.(3) 经过严苛碱处理后不同Si/Al比的商用ZSM-5分子筛上不同程度的构建了多级孔结构。且随着Si/Al比的提高，活性的提高幅度也相应增加。对于高硅分子筛，经过碱处理后，其催化活性大幅提高，且保留了较好水热稳定性。.(4) 通过水热合成法制备了具有片层结构的花状ZSM-5载体，表征结果证明该分子筛材料具有微介孔结构，且修饰的金属活性数量较高。性能研究表明，该载体得到的催化材料的催化性能远远高于传统的微孔分子筛材料。