额外金属离子改性Cu-SSZ-13分子筛用于NH₃-SCR催化反应

环境问题一直是全球关注的焦点，关系着人类的生存和发展。氮氧化物（NO_x）是大气主要污染物之一，其最主要来源是柴油车尾气排放。氨选择催化还原技术（NH₃-SCR）由于其高效的NO_x去除效率和较少的二次污染排放等优点，是目前应用最普遍的柴油车尾气处理方法。Cu离子交换的SSZ-13分子筛（Cu-SSZ-13）是NH₃-SCR反应的核心催化剂，在美国和欧洲已经得到商业应用。然而，在实际应用过程中，由于柴油车尾气系统中颗粒过滤器（DPF）的再生，导致SCR系统的瞬时温度可达650 °C以上，同时由于柴油发动机的冷启动限制，要求催化剂同时具有优异的高温水热稳定性和低温（≤ 200 ℃）催化活性，是目前SCR催化剂技术革新面临的关键科学问题。

近期，博士研究生陈梦阳和李俊延为共同第一作者在Journal of the American Chemical Society杂志上发表题为“Unveiling Secondary-Ion-Promoted Catalytic Property of Cu-SSZ-13 Zeolite for Selective Catalytic Reduction of NO_x”的研究工作。该工作通过连续离子交换法，将合成的SSZ-13分子筛先与Sm³⁺交换，再与Cu²⁺交换，制备一系列Cu-Sm-SSZ-13分子筛。通过XRD粉末精修发现Sm³⁺首先占据SSZ-13的六元环（6MR），这有利于8MR上生成更多并且更活泼的[ZCu²⁺(OH)]⁺位点。结合先进表征和密度泛函理论（DFT）计算，揭示电子从Sm³⁺转移至[ZCu²⁺(OH)]⁺，提高[ZCu²⁺(OH)]⁺的活性，从而降低反应中间产物（NH₄NO₂和H₂NNO）生成所需的活化能，这是NH₃-SCR催化性能得到提升的主要原因。此外，由于Sm³⁺与[ZCu²⁺(OH)]⁺的静电相互作用，可以增强[ZCu²⁺(OH)]⁺的稳定性，从而在水热处理过程中抑制CuO_x生成。因此，Cu-Sm-SSZ-13催化剂表现出比传统Cu-SSZ-13更优异的催化活性和水热稳定性。同时，离子交换顺序对于提高催化剂SCR活性也起到至关重要的作用。只有在Cu²⁺之前引入Sm³⁺才能有效地调控Cu位点分布、活性和稳定性，从而提高Cu-SSZ-13的催化性能。该工作揭示了额外金属离子提高Cu-SSZ-13催化活性和水热稳定性的工作机理，有助于合理设计高效的NH₃-SCR催化剂。

J. Am. Chem. Soc.，DOI: 10.1021/jacs.2c03877