催化学报 ›› 2026, Vol. 83: 376-387.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64958-3

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调控Pt/Cu-SSZ-13界面相互作用优化氨选择性催化氧化性能

李佳幸,1, 彭悦,1, 李一凡, 隆云鹏, William Orbell, 高传, 朱晓, 袁兴, 陈琳, 李俊华*()   

  1. 清华大学环境学院, 北京 100084
  • 收稿日期:2025-09-10 接受日期:2025-11-12 出版日期:2026-04-18 发布日期:2026-03-04
  • 通讯作者: * 电子信箱: lijunhua@tsinghua.edu.cn (李俊华).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22406102);国家自然科学基金(22276104);国家自然科学基金(T2341002);中国博士后科学基金(2024M751726);中国博士后科学基金会博士后资助计划(GZB20240348);清华大学“水木学者”计划(2023SM224)

Modulation of Pt-Cu interaction in Pt/Cu-SSZ-13 for selective catalytic oxidation of ammonia

Jiaxing Li,1, Yue Peng,1, Yifan Li, Yunpeng Long, William Orbell, Chuan Gao, Xiao Zhu, Xing Yuan, Lin Chen, Junhua Li*()   

  1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
  • Received:2025-09-10 Accepted:2025-11-12 Online:2026-04-18 Published:2026-03-04
  • Contact: * E-mail: lijunhua@tsinghua.edu.cn (J. Li).
  • About author:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22406102);National Natural Science Foundation of China(22276104);National Natural Science Foundation of China(T2341002);China Postdoctoral Science Foundation(2024M751726);Postdoctoral Fellowship Program of CPSF(GZB20240348);Shui Mu Tsinghua Scholar(2023SM224)

摘要:

随着全球能源结构向零碳化转型, 氨(NH3)作为一种高能量密度的无碳燃料及氢能载体, 其应用前景广阔. 然而, 利用过程中NH3的逃逸会造成严重的氮污染, 开发高效的NH3选择性催化氧化(NH3-SCO)催化剂是解决该问题的关键. 传统的Pt基催化剂虽然低温活性优异, 但受限于Pt位点过强的本征氧化能力及对中间产物不适宜的吸附强度, 极易驱动关键中间物种(-NHx)深度氧化生成N2O或NOx, 难以克服“活性-选择性”的博弈难题. 利用Cu-SSZ-13分子筛优异的选择性催化还原(SCR)氧化还原特性构建Pt/Cu双功能催化剂是突破该瓶颈的有效途径. 然而, 如何从微观层面精准调控Pt与Cu物种间的电子状态及空间分布, 阐明双位点间的中间体传递机制与动力学匹配规律, 仍是催化领域亟待解决的核心科学问题.
本文通过控制合成策略, 对比了物理混合(PM)与高能机械研磨(GR)两种方法, 构建了具有差异化界面耦合模式的Pt/Cu-SSZ-13催化剂, 旨在探究Pt-Cu相互作用对SCO反应路径的调控机制. 多尺度结构表征(X-射线衍射, 高分辨透射电镜, 扩展X-射线吸收精细结构)与电子态分析(X-射线光电子能谱, X-射线吸收近边结构, CO-漫反射红外光谱(DRIFTS))结果表明, 简便的物理混合策略(Pt/Cu-CHA-PM)成功构建了适度的Pt-Cu相互作用, 使得Pt纳米颗粒维持在优化的电子状态(粒径~11.8 nm), 同时完整保留了分子筛骨架中高活性的孤立Z2Cu位点(其中Z代表分子筛骨架上的负电荷位点); 相反, 剧烈研磨诱导了强烈的Pt-Cu合金化效应及Pt位点过高的电子云密度, 抑制了O2的解离活化. 催化性能测试显示, Pt/Cu-CHA-PM表现出较好的低温活性(T90 = 180 °C)和宽温区高N2选择性(280‒300 °C, > 90%), 160 °C时转换频率达0.00402 s‒1, 是GR样品的4.6倍. 动力学分析、18O同位素示踪及原位光谱学(原位DRIFTS和紫外-可见光漫反射光谱)研究揭示了构效关系: PM样品中适度的电子相互作用优化了Pt表面的O2吸附能与NH3脱氢能垒, 倾向于生成易于转化的*NOx中间物种, 而非发生寄生性的N-N偶联生成N2O; 生成的NOx随后迅速迁移至邻近的Z2Cu位点, 通过“快速内部SCR(i-SCR)”机制与吸附的NH3反应高效转化为N2. 此外, 在苛刻的水热老化条件(750 °C, 10 h)下, 该催化剂表现出独特的活性位点动态重构机制: 一方面, 分子筛骨架中热力学不稳定的ZCuOH位点通过脱羟基作用转化为SCR活性更高且更稳定的孤立Z2Cu位点; 另一方面, Pt纳米颗粒的受控烧结(Ostwald熟化)使其尺寸与电子态向“火山型”曲线的顶点演变. 这种双位点的协同演化机制有效维持了高效的i-SCR反应路径, 赋予了催化剂优异的抗老化性能.
综上, 本研究阐明了通过物理限域调控双金属位点电子相互作用与空间距离的重要性, 揭示了双功能催化剂中氧化-还原半反应的动力学匹配机制, 为理性设计下一代高性能、高稳定性的氨逃逸控制催化剂提供了普适性的理论指导与合成策略.

关键词: Cu-SSZ-13, 内部选择性催化还原机理, 氨选择性催化氧化, 氮气选择性增加, 抗水热老化

Abstract:

Modulating the potent oxidative nature of Pt sites is the central strategy for optimizing the selective catalytic oxidation of NH3 (NH3-SCO). The primary challenge is to suppress byproduct formation (N2O, NOx) while preserving the intrinsic activity for N2 production, a balance governed by the metal-support interaction. Herein, a facile physical-mixing strategy is demonstrated to engineer a Pt/Cu-SSZ-13 catalyst that simultaneously establishes a moderate Pt-Cu interaction while preserving the integrity of isolated Z2Cu sites. This catalyst demonstrates superior performance, achieving 98% NH3 conversion at 180 °C and over 90% N2 selectivity (280‒300 °C), outperforming its counterpart prepared by intensive grinding. It also exhibits exceptional hydrothermal stability (750 °C, 10 h). Electronic structure and in-situ spectroscopy results reveal that the Pt-Cu electronic interaction tunes the reactivity of Pt sites to selectively catalyze the formation of *NOx intermediates. Concurrently, the preserved Z2Cu sites act as distinct active centers for NH3 adsorption, which then readily reduce these intermediates to N2.

Key words: Cu-SSZ-13, Internal-selective catalytic reduction mechanism, NH3-selective catalytic oxidation, N2 selectivity enhancement, Hydrothermal aging resistance