催化学报 ›› 2026, Vol. 85: 286-297.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)64960-1

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CuO/Cu-SSZ-13界面结构的设计调控及其对NOx选择性催化还原与CO氧化的协同催化

林哲冠a,1, 何舒怡b,1, 李铁森a,b, 崔勍焱b, 闫文付c(), 岳源源a,b()   

  1. a 清源创新实验室, 福建泉州 362801
    b 福州大学化工学院, 氟氮化工新材料全国重点实验室, 福建福州 350108
    c 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
  • 收稿日期:2025-10-01 接受日期:2025-10-24 出版日期:2026-06-18 发布日期:2026-05-18
  • 通讯作者: *电子信箱: yanw@jlu.edu.cn (闫文付),
    yueyy@fzu.edu.cn (岳源源).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22322803);国家自然科学基金(22578062);国家自然科学基金(U23A20113);国家自然科学基金(22288101);中国博士后面上基金(2025M771146);福建省自然科学基金(2025J011611);清源创新实验室(00724002)

Design of interface structure to enhance the operational temperature range of CuO/Cu-SSZ-13 for concurrent NOx selective catalytic reduction and CO oxidation

Zheguan Lina,1, Shuyi Heb,1, Tiesen Lia,b, Qingyan Cuib, Wenfu Yanc(), Yuanyuan Yuea,b()   

  1. a Qingyuan Innovation Laboratory, Quanzhou 362801, Fujian, China
    b State Key Laboratory of Fluorine and Nitrogen Chemicals, College of Chemical Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, Fujian, China
    c State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry, College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, Jilin, China
  • Received:2025-10-01 Accepted:2025-10-24 Online:2026-06-18 Published:2026-05-18
  • Contact: *E-mail: yanw@jlu.edu.cn (W. Yan),
    yueyy@fzu.edu.cn (Y. Yue).
  • About author:

    1Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22322803);National Natural Science Foundation of China(22578062);National Natural Science Foundation of China(U23A20113);National Natural Science Foundation of China(22288101);Postdoctoral Science Foundation of China(2025M771146);Natural Science Foundation of Fujian Province(2025J011611);Qingyuan Innovation Laboratory(00724002)

摘要:

氮氧化物(NOx)与一氧化碳(CO)作为典型的大气污染物, 对生态系统平衡和公共健康构成严重威胁. 在现有烟气净化技术中, 将氨选择性催化还原(NH3-SCR)与CO催化氧化相结合, 被视为同步去除NOx和CO的高效途径. 然而, 作为该技术核心兼具脱硝与CO氧化功能的双功能催化剂, 长期以来面临双功能活性温窗(即NOx和CO去除率均大于90%的温度范围)狭窄的问题. 究其原因在于NH3会优先占据双功能催化剂的CO氧化位点, 发生非选择性氧化反应. 此过程不仅造成NH3大量消耗, 导致脱硝效率降低, 同时也抑制了CO的氧化反应. 因此, 如何在双功能催化剂中有效阻止NH3的非选择性氧化行为, 从而显著拓宽其活性温窗, 已成为烟气净化领域一项亟待突破的挑战.

本文提出了一种界面电子调控与酸位空间解耦协同作用的双功能催化剂设计策略. 该策略以具有宽温窗、优异N2选择性和水热稳定性的Cu-SSZ-13分子筛作为NH3-SCR反应组分, 并以CuO纳米颗粒作为CO氧化组分. 采用等体积浸渍法将CuO纳米颗粒均匀负载于Cu-SSZ-13表面, 构筑了双功能催化剂CuO/Cu-SSZ-13. 性能评价结果表明, 该催化剂在同步进行的NH3-SCR和CO氧化反应中, 展现出迄今为止罕见的活性温窗(200-425 ºC)和优异的N2选择性, 显著拓宽了此类双功能催化剂的实际运行温度区间. X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收谱分析证实, CuO与Cu-SSZ-13之间存在强界面相互作用, 该界面效应诱导电子从CuO中的Cu物种向Cu-SSZ-13迁移, 从而在界面处形成了更高氧化态的界面Cu位点. 原位漫反射傅立叶变换红外光谱(DRIFT)和近常压XPS结果进一步表明, 这些界面Cu位点在低温下对CO分子具有显著增强的吸附能力, 且其Cu-O键还具备快速的晶格氧补充机制. 密度泛函理论计算揭示, CO吸附过程为低温CO氧化反应的决速步骤, 而界面电子调控正是强化了界面Cu位点对CO的吸附能力, 从而显著提升了低温CO催化性能. 与纯CuO纳米颗粒相比, 界面Cu位点催化CO氧化的本征活性提高了约50倍. 此外, NH3和O2气氛下的程序升温脱附实验和原位DRIFT结果证实, Cu-SSZ-13表面丰富的Brönsted酸位点能够优先吸附NH3分子, 使其在空间上与邻近的界面Cu位点隔离, 成功实现了NH3分子在CO氧化位点上的竞争吸附与非选择性氧化反应的解耦.

综上, 本文揭示了由界面电子重构与酸位点驱动优先吸附共同作用的双功能协同反应机制, 有效解决了长期限制脱硝和CO氧化双功能催化剂发展的活性温窗狭窄难题, 为开发新一代高效、稳定的多污染物协同控制催化剂提供了理论基础与技术支撑.

关键词: NOx选择性催化还原, CO氧化, 双功能催化剂, 协同效应, 宽运行窗口

Abstract:

The non-selective oxidation of NH3 at CO oxidation sites is a major limitation for bifunctional catalysts used in NH3-selective catalytic reduction and CO oxidation. This issue restricts these catalysts from achieving a wide operational temperature window, where both NOx and CO conversions exceed 90%, thus hindering their industrial application. Herein, we propose a novel strategy to expand the temperature window of bifunctional catalysts. By exploiting the synergistic effects of interfacial electron regulation and spatial decoupling of acid sites, we demonstrate that the CuO/Cu-SSZ-13 catalyst achieves an unprecedented operational window (200-425 °C), surpassing previously reported results. Our investigation reveals a new mechanism of bifunctional synergy, driven by Cu-O bond reconstruction at the interface and the preferential anchoring of Brönsted acid sites on NH3. This mechanism mitigates the non-selective oxidation of NH3, thereby extending the catalyst’s temperature window. This work provides a new design paradigm for bifunctional catalysts, facilitating broader operational temperature windows and advancing the field.

Key words: NOx selective catalytic reduction, CO oxidation, Bifunctional catalyst, Synergistic effect, Wide operational window