催化学报 ›› 2025, Vol. 78: 292-302.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64800-5

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提高Cu-SSZ-39分子筛八元环骨架铝含量增强其低温氨选择催化还原性能

靳科研a,1, 韩金峰a,e,1, 魏颖真a, 王云峥b, 李菁c, 刘忠其d, 单玉龙d, 贾然a, 闫文付a,*(), 于吉红a,e,*()   

  1. a吉林大学化学学院, 无机合成与制备化学全国重点实验室, 吉林长春 130012
    b中国石化上海石油化工研究院有限公司, 上海 201208
    c吉林化工学院, 吉林吉林 132012
    d中国科学院生态环境科学研究中心, 大气环境与污染控制重点实验室, 北京 100085
    e吉林大学, 未来科学国际合作联合实验室, 吉林长春 130012
  • 收稿日期:2025-05-10 接受日期:2025-07-14 出版日期:2025-11-18 发布日期:2025-10-14
  • 通讯作者: *电子信箱: yanw@jlu.edu.cn (闫文付), jihong@jlu.edu.cn (于吉红).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家重点研发计划(2021YFA1500401);国家自然科学基金(22288101);国家自然科学基金(22201095);高等学校学科创新引智计划(B17020)

Enriching framework Al sites in 8-membered rings of Cu-SSZ-39 zeolite to enhance low-temperature ammonia selective catalytic reduction performance

Keyan Jina,1, Jinfeng Hana,e,1, Yingzhen Weia, Yunzheng Wangb, Jing Lic, Zhongqi Liud, Yulong Shand, Ran Jiaa, Wenfu Yana,*(), Jihong Yua,e,*()   

  1. aState Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
    bSinopec Shanghai Research Institute of Petrochemical Technology Co., Ltd. Shanghai 201208, China
    cJilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132012, Jilin, China
    dLaboratory of Atmospheric Environment and Pollution Control, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
    eInternational Center of Future Science, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
  • Received:2025-05-10 Accepted:2025-07-14 Online:2025-11-18 Published:2025-10-14
  • Contact: *E-mail: yanw@jlu.edu.cn (W. Yan), jihong@jlu.edu.cn (J. Yu).
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2021YFA1500401);National Natural Science Foundation of China(22288101);National Natural Science Foundation of China(22201095);‘111 Center’(B17020)

摘要:

氮氧化物(NOx)是主要的空气污染源之一. 2023年, 移动源(主要是柴油车)排放的氮氧化物超过了中国氮氧化物排放总量的60%. 在现有氮氧化物减排技术中, 氨气选择性催化还原技术(NH3-SCR)被认为是最有效且应用最广泛的方法之一. 柴油发动机冷启动阶段排放的NOx约占总排放量的80%. 因此, 提高催化剂的低温NH3-SCR活性是进一步减少NOx排放的关键. 铜基SSZ-39催化剂因具有出色的水热稳定性, 被认为是下一代可商用的NH3-SCR催化剂. 但传统方法合成的SSZ-39中, 八元环骨架铝含量较低, 限制了活性物种[Cu(OH)]+-Z的形成, 导致其低温活性(150-225 °C)受限. 因此, 开发简单且成本低的策略以提高铜基SSZ-39催化剂八元环骨架铝含量, 进而增强其低温NH3-SCR性能, 对于其大规模商业应用至关重要.

铜基分子筛催化剂中存在两种铜物种: Cu2+-2Z和[Cu(OH)]+-Z. 其中, Cu2+-2Z具有高水热稳定性, [Cu(OH)]+-Z则具有高反应活性, 后者对于促进催化剂的低温NH3-SCR活性至关重要; 而这两种活性铜物种的生成受分子筛中骨架铝(Al)的分布影响. 基于此规律, 本文开发了一种提高SSZ-39分子筛八元环骨架铝含的新合成策略. 不同于传统的转晶法和晶种辅助法, 该策略以SAPO-18为晶种, 采用胶体二氧化硅和硫酸铝分别作为硅源和铝源, 并创新性使用K+作为唯一无机结构导向剂来合成SSZ-39分子筛(SSZ-39-K). 红外光谱和热重数据表明, K+可以替代SSZ-39分子筛骨架中aei笼中的质子化有机结构导向剂, 促进八元环中骨架铝的富集. 固体紫外和二维Al固体核磁分析表明, 与传统方法合成的SSZ-39(SSZ-39-T)相比, SSZ-39-K八元环骨架Al含量增加了37.6%; 氢气程序升温还原和密度泛函理论计算表明, 这些八元环上的Al显著促进了[Cu(OH)]+-Z活性物种的生成. 在800 °C水热老化16 h后, Cu3.7-SSZ-39-K在150-225 °C范围内的NOx还原效率是Cu3.4-SSZ-39-T的两倍, 展现出优异的低温NH3-SCR活性. 此外, 目前已报道的晶种辅助法合成SSZ-39的最高产率仅为33%, 而本方法的为65%, 几乎是前者的两倍, 显著提高了原料利用率并降低了SSZ-39的生产成本.

综上, 本文开发了一种实用且可拓展的合成策略, 既能降低SSZ-39的合成成本, 又能增强铜基SSZ-39催化剂的低温NH3-SCR活性, 从而推动SSZ-39分子筛在NOx排放控制技术中的商业应用.

关键词: SSZ-39分子筛, 铝调控, 低温活性, NH3-选择催化还原, 骨架Al富集

Abstract:

The distributions of framework aluminum (Al) in zeolites critically govern the location and speciation of active copper (Cu) centers, thereby influencing their performance in ammonia selective catalytic reduction (NH3-SCR) of nitrogen oxides (NO). Conventional Cu-SSZ-39 (Cu-SSZ-39-T) exhibits excellent hydrothermal stability but limited low-temperature activity (150-225 °C) due to a low concentration of Al in 8-membered rings (8MRs) that inhibits the formation of active [Cu(OH)]+-Z species. Herein, an SSZ-39 zeolite synthesized with potassium ions (SSZ-39-K) achieved a significantly higher 8MR Al fraction (37.6%). Density functional theory calculations and H2-temperature-programmed reduction analyses confirmed that the increased 8MR Al population facilitated the formation of [Cu(OH)]+-Z species. Aged Cu-SSZ-39-K exhibited nearly twice the NOx conversion of aged Cu-SSZ-39-T in the 150-225 °C range while maintaining comparable high-temperature activity (250-550 °C) under a gas hourly space velocity of 250,000 h-1. Enhanced low-temperature performance is particularly beneficial for mitigating NOx emissions during cold-start phase. Moreover, SSZ-39-K was synthesized with a high crystallization yield (~65%), nearly double the highest yield (33%) reported for direct synthesis routes. This work establishes a robust strategy for tailoring Al distributions in SSZ-39 zeolites, offering an effective pathway to improve low-temperature NH3-SCR performance and promote practical implementation.

Key words: SSZ-39 zeolite, Al regulation, Low-temperature activity, Ammonia selective catalytic reduction, Enriching framework Al sites