基于氮掺杂界面调控的高还原性CuOx/NCNTs的构建及低温选择性催化氧化逃逸氨性能研究

Reduction of slip ammonia emissions from flue gas denitrification or desulfurization is crucial for atmospheric pollution control in urban areas, and is technically difficult due to the high-flow, low-concentration nature of ammonia slip. In this project, we intend to fabricate highly dispersed, highly reducible and H2O-resistant copper oxide nanoparticle catalysts using nitrogen-doped carbon nanotubes as support (CuOx/NCNTs) for the low-temperature selective oxidation of slip ammonia to non-harmful N2 and H2O vapor (NH3-SCO). The key surface nitrogen species that determine the crystallization and redox of CuOx will be identified by examining the evolution of surface properties of NCNTs with in situ Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy equipped with an in situ reaction chamber. Mechanisms for NH3-SCO reaction on CuOx/NCNTs will be investigated by temperature-programmed reduction/surface reaction using NH3 as a probe molecule. A surface nitrogen-based descriptor will be established by correlating the surface properties of NCNTs, the reducibility of CuOx and the low-temperature NH3-SCO performance of CuOx/NCNTs under simulated ammonia slip conditions. Thereby, the preparation of CuOx/NCNTs catalysts will be further optimized, aiming at real application of the catalyst system in the reduction of slip ammonia from flue gas after-treatment processes.

减少工业烟气脱硝脱硫过程中低浓度、高流量逃逸氨的排放是大气污染控制领域的一个难点。针对逃逸氨气流温度低、含水量高的特点，本项目拟发展基于新型氮掺杂碳纳米管负载氧化铜催化剂（CuOx/NCNTs）的低温选择性催化氧化（NH3-SCO）逃逸氨处理技术。利用氮掺杂对金属-载体界面的调控作用提升负载氧化铜纳米颗粒的分散性和氧化还原性，优化制备出高活性、高耐水性的逃逸氨低温选择性氧化催化剂。通过原位拉曼光谱和准原位XPS等技术追踪NCNTs表面性质（特别是含N基团的种类和数量）在CuOx活性组分结晶成型和氧化还原过程中的演变，探究调控CuOx-CNTs界面的关键表面含N物种及其作用机制。结合模拟逃逸氨条件下的低温NH3-SCO性能以及反应机理研究，明确CuOx/NCNTs催化氧化逃逸氨的构效关系，建立基于关键表面含N物种描述符的催化剂优化制备途径，为实现该催化体系的实际应用提供理论和实验依据。

减少工业烟气脱硝脱硫过程中低浓度、高流量逃逸氨的排放是大气污染控制领域的难点之一。针对逃逸氨气流温度低、含水量高的特点，本项目发展了基于新型氮掺杂碳纳米管负载氧化铜催化剂（CuOx/NCNTs）的低温选择性催化氧化（NH3-SCO）逃逸氨处理技术；明确了载体N掺杂调控负载催化剂物化性质与催化性能的微观机制，揭示了CuOx/NCNTs 催化低温NH3-SCO反应的机理；发表基金标注SCI论文8篇，申请发明专利3项（1项已授权），培养高级工程师1名、硕士生2人、本科生6人。主要研究结论包括：. 1）建立CuOx/NCNTs催化剂优化制备路径。发展了“硝酸蒸汽氧化+高温氨化处理”两步法，优化制备出表面含氮量达1.67 %的NCNTs；基于单位Cu质量的NH3转化率，确定了CuOx/NCNTs最优Cu负载量。. 2）明确N掺杂调控金属-载体相互作用的内在机制。相比氧化CNTs负载Cu催化剂，CuOx/NCNTs具有CuOx颗粒尺寸小、还原温度低、NH3吸附量高等优势。究其原因，表面含N位点的强锚定作用抑制Cu物种的团聚，提升了催化活性位点数量；Cu-N相互作用则提升Cu位点可还原性、抗氧化性和抗水性，进而构筑起具有优异低温NH3-SCO性能的CuOx/NCNTs催化剂。. 3）揭示CuOx/NCNT催化低温NH3-SCO反应机理。通过系统的动力学测试，揭示NH3-SCO、NH3-SCR反应表观活化能，发现在NH3-SCO反应体系中引入NO导致NH3-SCR反应优先发生；通过程序升温表面反应，证实NH3-SCO反应中NO中间物种的生成；进一步考察反应物中NO分压对产物分布的影响，发现整体反应物/产物变化符合标准NH3-SCR反应计量数，证实CuOx/NCNT催化NH3-SCO反应遵循i-SCR路径。