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于吉红教授《CCS Chemistry》：共结晶分子筛界面提高Cu

来源：花匠小妙招时间：2024-11-12 00:31

柴油车尾气中的NOX是我国主要的大气污染物之一，也是产生细颗粒物和臭氧的重要前体物，柴油发动机尾气NOX的排放控制对改善空气质量具有重要意义。氨选择性催化还原（NH3-SCR）技术是去除柴油发动机尾气NOx最有效的方法。目前，Cu-SSZ-13催化剂是柴油发动机尾气NOx排放控制的商用材料，但其低温活性差，在柴油车冷启动过程中对NOX的排放控制不足，此外SSZ-13分子筛的合成通常需要使用价格昂贵的有机模板剂（三甲基金刚烷胺），不仅导致催化剂成本昂贵，还会造成水体、大气等环境污染问题。研究报道，富铝SSZ-13分子筛可在无有机模板剂下合成，同时因其具有更多的Brønsted酸位点和离子交换位点，在Cu交换后表现出优异的低温脱硝性能，但其较差的水热稳定性限制了其工业应用。此前我们课题组也证明了无有机模板剂制备的富铝Cu-OFF-ERI共生分子筛催化剂表现出较优异的脱硝活性和水热稳定性（J. Am. Chem. Soc.,2024, 146, 7605−7615）。但要获得更长的使用寿命，富铝Cu-SSZ-13和Cu-OFF-ERI的水热稳定性均需进一步提升。

分子筛骨架脱铝是Cu基富铝分子筛催化剂水热老化后脱硝性能下降的主要原因之一。有研究报道，水热老化处理会导致分子筛的骨架铝以Al(OH)3的形式从骨架上脱除形成骨架缺陷；在水热老化结束后的降温过程中，分子筛孔道内的Al(OH)3可重新在骨架缺陷处键合。因此，如果在水热老化过程中，将骨架上脱除的Al(OH)3物种保持在分子筛骨架缺陷附近，在水热老化后的降温过程中，这些Al(OH)3物种就有可能重新与骨架缺陷键合，从而提升Cu基分子筛催化剂的水热稳定性。

基于此，于吉红教授团队提出了一种共结晶界面提升催化剂水热稳定性的策略，合成的由CHA分子筛和OFF-ERI共生分子筛组成的共结晶分子筛（CHA/OFF-ERI），在比例适中时，经过Cu交换后（Cu-CHA/OFF-ERI）展现出明显优于相似组成的Cu-SSZ-13、Cu-OFF-ERI以及Cu-SSZ-13和Cu-OFF-ERI的物理混合样品（Cu-Mixture）的脱硝性能和水热稳定性。进一步研究发现，Cu-CHA/OFF-ERI催化剂的共结晶界面可将水热老化过程中分子筛骨架脱除的Al(OH)3物种锁定在分子筛骨架缺陷附近。在水热老化结束后的降温阶段，Al(OH)3物种可重新在骨架缺陷处键合，抑制了Cu-CHA/OFF-ERI催化剂的骨架脱铝，提高了其水热稳定性。本研究为利用共结晶界面策略设计合成具有优异脱硝性能的催化剂提供了指导。相关研究成果发表在CCS Chemistry杂志（CCS Chem. 2024. DOI: 10.31635/ccschem.024.202404558）。