Probing Active-Site Relocation in Cu/SSZ-13 SCR Catalysts during Hydrothermal Aging by In Situ EPR Spectroscopy, Kinetics Studies, and DFT Calculations

催化作用 电子顺磁共振 热液循环 氧化还原 化学 无机化学 化学工程 核磁共振 有机化学 工程类 物理
作者
Yani Zhang,Yue Peng,Junhua Li,Kyle Groden,Jean‐Sabin McEwen,Éric Walter,Ying Chen,Yong Wang,Feng Gao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (16): 9410-9419 被引量:120
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c01590
摘要

Cu/SSZ-13 selective catalytic reduction catalysts display activity loss after mild hydrothermal aging without support degradation or loss of isolated Cu cation content. By applying electron paramagnetic resonance spectroscopy to compare hydrated, dehydrated and NH<sub>3</sub>-saturated catalysts before and after hydrothermal aging, as well as density functional theory calculations, it is found that hydrothermal aging induces Cu relocation, leading to stronger Cusupport interactions. This is particularly evidenced by ZCuOH conversion to Z<sub>2</sub>Cu, which leads to the generation of a unique structure with two Cu(II) cations positioned in a double 6-membered ring prism. These two Cu(II) ions have a separation of ~3.90 Å as derived by EPR analysis, which agrees well with our DFT-based model. The Cu(II) cations that do not undergo such dramatic changes also appear to stay closer to framework windows as evidenced by the overall increased anisotropy during EPR measurements. Here, in situ EPR measurements under SCR conditions demonstrate that, in comparison to the fresh catalyst, higher percentages of Cu species stay as Cu(II) in the aged catalyst. This suggests that the reduction half-cycle of the SCR redox, i.e., Cu(II) → Cu(I), becomes slower for the hydrothermally aged catalyst.
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