Interface Induced by Hydrothermal Aging Boosts the Low-Temperature Activity of Cu-SSZ-13 for Selective Catalytic Reduction of NOx

热液循环 氮氧化物 催化作用 化学工程 密度泛函理论 硫黄 选择性催化还原 活化能 化学 无机化学 计算化学 物理化学 吸附 有机化学 工程类 燃烧
作者
Lingfeng Jia,Li Zhang,Bing Liu,Huifang Cheng,Huiquan Li,Zhen Zhao,Wenshuai Zhu,Weiyu Song,Jian Liu,Jixing Liu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
被引量:10
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c04101
摘要

Hitherto, sulfur poisoning and hydrothermal aging have still been the challenges faced in practical applications of the Cu-SSZ-13 catalyst for the selective catalytic reduction (SCR) of NO x from diesel engine exhaust. Here, we elaborately design and conduct an in-depth investigation of the synthetic effects of hydrothermal aging and SO 2 poisoning on pristine Cu-SSZ-13 and Cu-SSZ-13@Ce 0.75 Zr 0.25 O 2 core@shell structure catalysts (Cu@CZ). It has been discovered that Cu@CZ susceptible to 750 °C with 5 vol % H 2 O followed by 200 ppm SO 2 with 5 vol % H 2 O (Cu@CZ-A-S) could still maintain nearly 100% NO x conversion across the significantly wider temperature region of 200–425 °C, which is remarkably broader than that of the Cu-SSZ-13-A-S (300–400 °C) counterpart. The experimental results show that the hydrothermal aging process results in the migration of highly active Cu species within the cage of Cu-SSZ-13 to the CZ surface, forming CuO/CZ with abundant interfaces, which significantly enhances the adsorption and subsequent activation of NO, leading to the generation of reactive N 2 O 3 and HONO intermediates. Moreover, density functional theory (DFT) calculations reveal that the H of the HONO* species can function as Brønsted acid sites, effectively adsorbing NH 3 to generate the active NH 4 NO 2 * intermediate, which readily decomposes into N 2 and H 2 O. Furthermore, this pathway is the rate-determining step with an energy barrier of 0.93 eV, notably lower than that of the “standard SCR” pathway (1.42 eV). Therefore, the formation of the new CuO/CZ interface profoundly boosts the low-temperature NH 3 -SCR activity and improves the coresistance of the Cu@CZ catalyst to sulfur poisoning and hydrothermal aging.
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