含金属分子筛上NOx选择性催化还原研究进展Ⅱ.含贵金属分子筛体系和HC-SCR反应机理

由于NOx引起了一系列的环境问题,如形成酸雨、光化学烟雾以及导致大气层可见度降低, 因此必须有效控制和转化NOx, 以减小其对环境的影响. 减少NOx污染的催化方法可分为: (1) 非选择性还原; (2) 选择性还原; (3) 分解. 其中选择性还原NOx是在贫燃状态下利用烃类(HC)作为"选择性"还原剂还原NOx(HC-SCR), 这给燃料经济性高的贫燃发动机(包括柴油机)的推广应用提供了尾气污染控制的可能性.     

Cu-ZSM-5分子筛催化分解及选择性催化还原NO

Cu-ZSM-5分子筛因具有高的催化脱除NO活性和对环境友好等优点而引起广泛关注。本文从NO分解反应、以NH3为还原剂选择性催化还原NO(NH3-SCR-NO)和以碳氢化合物为还原剂选择性催化还原NO(CH-SCR-NO)三个方面综述了Cu-ZSM-5分子筛催化脱除NO反应机理和催化剂改进方面的研究进展,并对该领域存在的问题和发展前景做了总结和展望。Cu-ZSM-5分子筛催化分解NO被认为是最具有吸引力的脱硝方法,其通过Cu+的氧化还原过程和N2O的生成来实现;Cu-ZSM-5分子筛上NH3-SCR-NO反应具有较高的NO脱除效率,NO首先被氧化为NO2,NO2再与NH3结合为NH4NO3,NH4NO3再进一步与NO反应生成N2;CH-SCR-NO反应是利用贫燃发动机尾气中未完全燃烧的碳氢化合物为还原剂,一般认为碳氢化合物与氮氧化物生成硝基烷或亚硝基烷,再经异氰酸酯或氰化物生成终产物N2。Cu-ZSM-5分子筛存在水热稳定性差和易发生二氧化硫中毒等缺点,通过引入第二金属组分和制备整体式催化剂方法可显著改善Cu-ZSM-5分子筛的催化性能。系统了解NO脱除反应机理和活性位的作用机制可为催化剂的改进奠定理论基础,同时也有助于设计合成新型高效、环境友好的脱硝催化剂体系。     

BaFeO_(3-x)与Cu-ZSM-5耦合催化剂的NO_x储存还原性能

为替代传统的贵金属基NOx储存还原(NSR)催化剂,本文设计并制备了不含贵金属的BaFeO3-x+CuZSM-5耦合催化剂,用于催化消除稀燃发动机尾气中的NOx.在稀燃阶段,NO在BaFeO3-x催化剂上发生了氧化和储存反应;在富燃阶段,从BaFeO3-x催化剂中脱附出来未能消除的NOx被置于其后的Cu-ZSM-5催化剂进一步催化消除.实验结果表明,BaFeO3-x+Cu-ZSM-5耦合催化剂的工作温度窗口被拓宽到250-400°C,同时NOx消除性能得到了显著提高:NOx转化率最高可达98%,N2选择性接近100%.     

贫燃/富燃循环气氛下原位活化Pd负载钙钛矿催化剂促进NOx还原消除

稀燃发动机通过提高空燃比来改善燃油经济性,减少CO2排放.但由于空燃比较高,稀燃发动机尾气中的NO_x无法通过传统的三效催化技术有效消除.为了解决这一问题,适用于稀燃条件的NO_x储存还原(NSR)技术得到了开发和应用.传统的NSR催化剂以贵金属Pt作为其氧化还原活性中心.Pt基催化剂具有较高的NO_x消除活性,然而热稳定性差,高温下易团聚失活.据报道,Pd具有比Pt更好的热稳定性和抗硫性,且能够在更低的温度下活化还原剂,促进NO_x还原.但De-NO_x反应中的活性Pd物种至今仍无定论,这对设计高效的Pd基NSR催化剂提出了挑战.本文设计制备了具有高活性的Pd负载型钙钛矿催化剂(Pd-La_0.7Sr_0.3MnO₃).其中钙钛矿组分的加入提高了Pd基催化剂的NO氧化能力和热稳定性,并提供了可用于NO_x储存的碱性位点.通过调节金属-载体相互作用,使Pd催化剂在NSR反应气氛下发生了自活化现象,活化后催化剂的NO_x消除活性由56.1%提高到90.1%,同时副产物N2O的选择性降低.XRD、XAFS和XPS等表征结果显示,在反应气氛下催化剂中的Pd²⁺被部分还原为高活性的Pd0物种.相较于Pd²⁺,Pd0表现出更强的活化C3H6的性能,从而提高了催化剂在富燃阶段的NO_x还原效率.结合XPS、CO化学吸附和动力学的实验结果,计算得出Pd0位点的NO_x还原速率是Pd²⁺位点的8倍,从实验现象和动力学计算两个角度分别证明Pd0物种具有更优异的NO_x还原活性.然而,Pd0物种的生成需要适当强度的金属-载体相互作用.通过与传统的Pd/BaO/Al₂O₃催化剂进行对比研究,发现金属-载体相互作用过强时,在富燃阶段Pd2+物种难以被还原,且还原得到的Pd0物种并不稳定,会在随后的贫燃阶段被快速重新氧化为Pd²⁺.强相互作用虽然可以降低Pd物种粒径,提高Pd的分散度,但由于无法产生高活性的Pd0物种,催化剂的NO_x消除性能显著降低.此外,相较于传统的Pd/BaO/Al₂O₃和Pt/BaO/Al₂O₃催化剂,Pd负载型钙钛矿催化剂具有更为优异的NO氧化能力,且储存位碱性适中,因而表现出更强的抗H₂O、CO₂和SO₂的性能,具有良好的应用前景.本文的结果说明了金属-载体相互作用对催化剂活性的显著影响,同时也为理解和设计应用于动态氧化/还原气氛的金属催化剂提供了新的思路.     

Pd/NiAl_2O_4催化剂上甲烷燃烧反应的红外光谱研究

采用原位红外光谱研究了Pd/NiAl2O4催化剂上甲烷燃烧反应机理,考察了Pd在载体上的氧化-还原状态对催化剂性能的影响.结果表明,甲酸盐向碳酸盐的转化是反应的控制步骤.经预还原处理的催化剂在贫燃富氧条件下反应一段时间后,活性组分仍为Pd-PdO混合形态;Pd单质的存在使O2在其上吸附形成活性O2-物种,从而促进了甲酸盐向碳酸盐的转化.     

添加稀土氧化物助剂的CeO2-ZrO2固溶体的储氧性及热稳定性研究

大多数工业催化剂都是在稳定的操作条件下进行的,然而汽车尾气净化催化剂却被暴露在大气中,使用条件经常变化,尤其是空燃比(A/F)的变化,直接影响了对氧敏感的三效催化剂的氧化和还原性能[1].CeO2则是一种具有储氧/释氧能力的催化材料,它作为助剂加入三效催化剂中,可在贫况下储存氧(以Ce4+存在)利于NOx的还原,在富况下释放氧(以Ce3+存在),利于HC、CO的氧化,从而提高了催化剂的活性.然而,CeO2 的储氧性通常局限在表面上,当温度超过400℃以上时,其比表面积降低从而引起储氧性能急剧下降,直接影响催化剂的性能和寿命.     

CuO/Al_2O_3催化剂中毒与氧吸附

燃煤烟气属于贫燃燃烧 (燃烧时通入过量空气 )尾气 ,其中除含 NOx、SO2 外还含有 O2 等 ,与非贫燃系统尾气中 NOx 的催化还原脱除相比有着很大的不同 .目前这一领域的研究工作虽然取得一些进展 ,但仍有许多问题尚待解决 [1] .无论是 NOx 的催化还原还是催化分解 ,气相中存在的SO2 对非贵金属及其氧化物催化剂构成了严重威胁 ,原因是非贵金属氧化物很容易吸收 SO2 生成稳定的硫酸盐而使催化剂中毒失活 .为脱除烟气中的 NOx,有报道先将气相中的 NO催化氧化为NO2 ,然后将 NO2 和 SO2 同时液相吸收 .研究表明 ,作为 NO催化氧化的非贵…     

Ni-Al2O3催化剂焙烧温度对丙烷催化还原NO反应性能的影响

环境污染与防治问题全球瞩目,而一氧化氮作为最难消除的大气污染物之一,已日益受到世界各国的重视.金属氧化物催化剂是研究贫燃条件下烃类选择催化还原NO的一个重要方向[1~3],以氧化铝为载体的镍催化剂虽然表现出很高的活性[4,5],但是催化剂结构对NO转化活性的影响并未见详细报     

整体式Pd/La_2O_3-Al_2O_3和Pd/CeO_2-ZrO_2-Y_2O_3催化剂上汽油车尾气净化性能的比较

采用共沉淀法制备了耐高温高比表面积的La2O3-Al2O3(LA)材料和CeO2-ZrO2-Y2O3(CZY)储氧材料,并用浸渍法制备了整体式Pd/LA和Pd/CZY汽油车尾气净化三效催化剂,考察了它们的三效催化性能和空燃比性能,并单独通过水煤气变换和CO氧化反应性能的考察,探讨了两种催化剂空燃比窗口扩大的原因.结果表明,Pd/CZY催化剂三效窗口明显较宽,且催化氧化CO的性能明显更优;对于CO+NO反应,Pd/CZY催化剂的活性较高.当反应中逐步通入O2后,抑制了该反应的进行,但CO氧化的转化率升高,而NO转化率降低,直至CO+NO反应完全被抑制,表明CO氧化反应对于抑制催化剂在NO贫燃方向的窗口具有一定的作用.另外,Pd/CZY催化剂上对于水煤气变换反应性能明显优于Pd/LA催化剂,在一定温度下逐步通入O2后,不会抑制水煤气变换反应的发生;当逐步通入NO时,可以促进水煤气变换反应的进行,表明Pd/CZY催化剂在富燃时对扩展CO转化窗口的性能明显优于Pd/LA催化剂.     

金属-ZSM-5/堇青石整体式催化剂上稀燃汽车尾气的净化

 在原位合成的ZSM-5/堇青石整体式样品基础上制备了几种金属(Cu, In或Ag)改性的ZSM-5/堇青石催化剂,并将其应用于稀燃发动机尾气的净化. 结果表明, Cu-ZSM-5/堇青石催化性能最好,尾气中的三种主要污染物NOx, CO和HC可以同时得到净化. 用微量(0.02%)贵金属(Pd, Rh或Ir)对Cu-ZSM-5/堇青石进一步改性,所得催化剂对CO的净化能力大大增强,保持高NOx转化率的温度窗口也大大加宽,因而该催化剂在稀燃汽车尾气净化方面具有潜在的应用前景. 微量贵金属对Cu-ZSM-5/堇青石催化剂的改性作用也在文中进行了讨论.     

光致发光沸石分子筛复合材料的研究进展

除传统的催化、 吸附分离和离子交换外, 主客体组装化学赋予了沸石分子筛材料独特的物理化学性质和广阔的应用前景. 本文聚焦光致发光沸石分子筛复合材料, 综述了这类材料最新的研究进展, 总结了不同发光客体, 如稀土金属、 金属簇、 量子点/碳点等与沸石分子筛形成的复合材料的制备方法与组装策略, 介绍了该类复合材料的光致发光性质和潜在应用, 探究了复合材料中可能存在的量子限域、 分子间相互作用、 能量转移和电子转移等对发光的影响, 并对未来光致发光沸石分子筛复合材料的发展前景进行了展望.     

Zeolite-based photocatalysts

The compartmentalised intracrystalline void space of zeolites are specially suited to incorporate and organise photoactive guests that can be used as photocatalysts. The rigid micropores allow assembly of multicomponent systems comprising of antenna and relays reminiscent of natural photosynthetic centers. Besides inorganic metal oxide clusters, zeolites as host are particularly attractive to construct organic photocatalysts since the guest becomes significantly stabilized by incorporation. This review gives special emphasis to the commercial and potential application of photocatalysts.     

Zeolite-based Electrolyte Accelerating the Realization of Solid-state Li-Air Battery

Solid-state lithium-air battery represents one of the most promising energy storage systems to simultaneously achieve high energy density, safety, and cost-efficiency. Conventional inorganic solid electrolytes are not suitable for the lithium-air systems due to their spontaneous reactions with lithium and/or air. Meanwhile, the large-scale production of inorganic solid electrolytes at a low cost remains highly challenging to date. Recently, Yu et al. demonstrated that lithium-ion exchanged zeolite X membrane could be employed as the solid electrolyte for lithium-air battery owing to its unique microporous structure and the continuous ion-conduction pathway within a single crystal. Moreover, the lithium-ion exchanged zeolite X offers excellent compatibility with lithium and air and exhibits negligible air permeability. The integrated solid-state lithium-air battery exhibits superior electrochemical stability in ambient air compared to conventional liquid and solid electrolytes. Meanwhile, it offers flexibility, safety and tolerance against abuse. Since zeolites have been widely used in the chemical industry, this work opens up numerous opportunities in energy-related fields. The corresponding research has been published in Nature and can be accessed at https://www.nature.com/articles/s41586-021-03410-9.     

Zeolite-based Fenton-like catalysis for pollutant removal and reclamation from wastewater

Wastewater treatment and reclamation from wastewater are essential for the sustainable use of water resource. Zeolite-based heterogeneous catalysis shows great potential in circumventing the current limitations on pollutant removal and transformation to useful chemicals, inspiring advancements towards practical water treatment. This paper summarizes the methods for synthesizing zeolite-based catalyst, and the corresponding advantages and disadvantages. In comparison with traditional Fenton-like reaction, the superiority of zeolite-based catalysis lies in less sludge, wide pH range and easy recyclability. Accordingly, applications of zeolite-based Fenton-like catalysis (ZFCs) in pollutant removal and reclamation of wastewater were reviewed. Emphasis was placed on the methodological strategies in improving ZFCs, including the combination of external driving force (e.g., photocatalysis or electrochemistry), as well as the introduction of various transition metals into zeolite-based catalyst. Possible challenges and future perspectives for ZFCs were proposed.     

Zeolite-based organized molecular assemblies. photophysical characterization and documentation of donor oxidation upon photosensitized charge separation

An organized molecular assembly composed of two ruthenium polypyridine complexes, Ru(bpy)(2)(bpz)(2+) and Ru(bpy)(2)(H(2)O)(2)(2+) (where bpy = 2, 2'-bipyridine and bpz = 2, 2'-bipyrazine), has been prepared in adjacent supercages of Y-zeolite. This material has been characterized by diffuse reflectance, electronic absorption, electronic emission, and resonance Raman (RR) spectroscopy, as well as lifetime measurements. The spectral results confirm the identity of the entrapped complexes and resonance Raman measurements show that the relative concentrations of the two complexes within the zeolite particles are identical. A dramatic decrease in emission intensity observed for the adjacent cage assembly, relative to that observed for an appropriate reference material composed of a mixture of zeolite particles containing the separated complexes, indicates strong interaction between the adjacent complexes which provides an additional nonradiative decay pathway. The excited state lifetime measurements implicate a very short-lived component, dominating the decay curve at early times, which is most reasonably attributed to excited-state electron-transfer quenching of the adjacent cage pair. More importantly, analysis of diffuse reflectance spectra acquired during selective (sensitizer) irradiation of a sample of this material, wherein the remaining cages are filled with a suitable acceptor (MV(2+)), provides direct evidence for oxidation of the Ru(bpy)(2)(H(2)O)(2)(2+) donor complex, confirming the targeted synergy of the adjacent cage assembly.     

有机电致磷光材料的分子设计：从主体材料到客体材料

有机电致磷光器件的设计和利用，可以突破由三线态激子跃迁自旋禁阻引起的有机电致荧光器件量子效率的限制。本文综述了有机电致磷光器件和材料的研究进展，主要介绍了主体材料和客体材料的研究现状，特别是蓝光磷光器件主客体材料的研究情况。     

以硅酸盐材料为背景的教学素材开发

针对一线教师在设计硅酸盐材料一课时面对的困难,开发了与陶瓷、玻璃、水泥相对应的石家河红陶杯、洛阳浮法玻璃、白鹤滩大坝等3个教学素材。包含2个原创实验、7个资料、14个原创提问。开发的素材可用于硅酸盐材料高一新授课或以硅酸盐材料为情境的高三复习课中,也可为原创题的命制者提供参考。素材的选择遵循了立德树人的理念,培养了学生的爱国情怀,同时也提升了高级思维能力。