论文部分内容阅读
机动车污染物排放是我国大气复合污染形成的重要原因之一.尽管柴油车在我国机动车保有量中所占比例不到20%,但其排放的颗粒污染物(PM)和氮氧化物(NO x)分担率均超过60%.因此,控制柴油车尾气排放成为我国亟待解决的大气污染问题.目前,氨选择性催化还原NOx技术(NH3-SCR)已规模化应用于柴油车污染排放控制,出于安全性考虑,以尿素水溶液作为氨的来源.但NH3-SCR技术应用于柴油车尾气净化存在如下缺点:需要布建庞大的尿素添加基础设施、后处理系统复杂等.与此相反,以车载燃油为还原剂来源的HC-SCR技术可有效规避上述难题,展现了较好的应用前景.但是,直接以柴油为还原剂时,HC-SCR对NO x净化的效率还难以满足日益严格的排放法规的要求,因此需要深入研究HC选择性还原NOx的微观机制与构效关系,并以此为指导,发展以车载燃料为还原剂来源的高效净化NOx的新原理和新方法.已有的研究表明,银/氧化铝(Ag/Al2O3)具有优异的催化乙醇选择性还原NOx的能力,是最有希望应用于柴油车尾气NOx净化的催化剂-还原剂组合体系.鉴于此,本论文以Ag/Al2O3催化剂上乙醇-SCR反应为研究对象,以密度泛函理论计算方法(DFT)搭建了Ag/Al2O3催化剂的理论模型,考察了反应物乙醇(CH3CH2OH)、关键中间体(烯醇式物种CH2=CHO-和-NCO)在Ag/Al2O3催化剂上的吸附特征,采用电子态密度分析(DOS)研究了以上物种被活化的电子机制,以期甄别Ag/Al2O3催化乙醇选择性还原NOx的活性位结构,为高性能的HC-SCR催化剂设计提供指导.依据化学态的不同,Ag/Al2O3催化剂上活性组分银可分为:高度分散的离子态(Ag+、在催化剂表面以Ag-O形式存在)、部分氧化团簇(Ag nδ+)和金属颗粒银(Ag n0),其中氧化态的银是催化乙醇选择性还原NOx的活性组分.Al2O3载体的主要暴露晶面为(110)和(100),在上述晶面上Al的配位状态存在明显差异,显著影响了银物种的锚定与分散,形成了具有不同键合特征的Ag-O-Al结构.基于对Al2O3暴露晶面上Al配位状态的分析,搭建了6种Ag-O-Al结构模型.结合Al MAS NMR对Ag/Al2O3实际催化剂的表征结果和理论模型吸附能的分析,获得了最为可能的两种Ag-O-Al结构:Ag-O-Al tetra(Al O4)和Ag-O-Al octa(Al O6);前者为AgO与Al2O3(110)面Al trip位键合形成的特征结构(Al最终为四配位),后者系AgO锚定于Al2O3(100)面Al penta位的能量最优结构(Al最终为六配位).在Ag-O-Al tetra上,Al tetra位具有较强的酸性,Ag、Al原子轨道的杂化融合有利于电子转移;以上特性促进CH3CH2OH、CH2=CHO-、-NCO的吸附活化.在HC-SCR反应中,关键中间体-NCO通过与NOx直接反应可形成最终产物N2和CO2.可见,-NCO中N=C键的拉伸活化、断裂对上述反应的发生至关重要.由电子态密度分析可知,N=Cσ键能向Ag-O-Al tetra中Altetra位转移电子,而Ag与Al的轨道融合能反馈电子到N=Cπ键;在这两种电子转移机制作用下,-NCO中的N=C键被最大程度弱化,有利其断裂,转化为最终产物N2和CO2.而Ag-O-Alocta上,并没有N=C键的活化拉伸,反而呈现出N=C键收缩趋势,不利于N=C键的断裂与最终产物的形成.由此推定,Ag-O-Al tetra是Ag/Al2O3催化剂上HC-SCR反应的活性中心.