论文标题：On the monolayer dispersion behavior of Co₃O₄ on HZSM-5 support: designing applicable catalysts for selective catalytic reduction of nitrogen oxides by ammonia（CO₃O₄在HZSM-5载体上的单层分散行为探讨设计催化剂用于NH₃选择性还原NOx）

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Yufeng Yang, Lihong Zhang, Tao Song, Yixing Huang, Xianglan Xu, Junwei Xu, Xiuzhong Fang, Qing Wang, Haiming Liu, Xiang Wang

发表时间：15 Nov 2023

DOI： 10.1007/s11705-023-2332-x

微信链接：点击此处阅读微信文章

阅读原文请点击“On the monolayer dispersion behavior of Co₃O₄ on HZSM-5 support: designing applicable catalysts for selective catalytic reduction of nitrogen oxides by ammonia”

背景及意义

为国民健康和经济的可持续发展，实现大气环境质量持续好转，研发高效的NOx消除催化剂是关键一环。用NH₃选择性催化还原NOx (NH₃-SCR)是最有应用前景的柴油发动机NOx消除技术之一。贵金属催化剂以其优越的性能在NH₃-SCR领域得到广泛研究和应用，然而因其价格昂贵、资源稀缺，亟需寻找性能良好、来源更广泛的催化材料。目前，分子筛类催化材料是脱硝领域的研究热点。Co₃O₄具有优良的氧化还原性能，表面空位丰富，利于NOx-SCR反应的进行。但分子筛负载Co₃O₄制备催化剂用于NH₃-SCR少见报道，一些基础科学问题仍不清楚，值得进行进一步深入系统研究。

研究内容及主要结论

基于单层分散理论，采用浸渍法合成了系列Co₃O₄/ZSM-5催化剂，并考察了以NH₃为还原剂的NOx-SCR反应性能。采用多种表征手段对Co₃O₄在HZSM-5载体上的单层分散行为进行了系统的探索和阐明。得到主要结论如下：

（1）XRD外推得到Co₃O₄在HZSM-5载体上的单层分散阈值为0.061 mmol 100 m^-2 ZSM^-5，折合为4.5 wt.%的Co₃O₄负载量。通过XPS外推验证了Co₃O₄的阈值为0.058 mmol 100 m^-2 ZSM^-5，在误差范围内两者一致。

（2）在单层分散阈值以下，单层或亚单层且非晶态的Co₃O₄，有利于表面酸性位点和活泼氧(O₂-)中心的形成。该两种表面活性位点能有效吸附和活化反应物NOx和NH₃，从而提高NH₃-SCR性能（图1c）。

图1. (A) Co₃O₄/ZSM-5的EPR光谱，(B) Co₃O₄/ZSM-5的XPS O 1s光谱, (C) 400℃时NOx转化率与表面活泼氧量（O₂-/O^2-比）的关系

（3）催化剂的表面性质和反应性能均存在明显的阈值效应。反应结果表明（图2），因其具有最大量的表面活泼氧(O₂-)和酸性位点，接近单层分散阈值的4% Co₃O₄/ZSM-5催化剂的反应性能最佳，且该催化剂具有良好的抗水抗硫中毒性能。

图2. (A) Co₃O₄/ZSM-5催化剂上的NOx转化率, (B) N₂和N₂O的浓度, (C) 400℃时NOx的转化速率(Rw和Rs), (D) 4% Co₃O₄/ZSM-5催化剂的抗水抗硫测试

亮点

（1）Co₃O₄可在HZSM-5载体上自发单层分散，其分散阈值为0.061 mmol 100 m^-2 ZSM-表面。所得催化剂的表面性质和反应性能均存在明显的阈值效应。

（2）在单层分散阈值以下，Co₃O₄以单层或亚单层的非晶态形式存在，有利于形成对NH₃-SCR反应至关重要的表面活泼氧(O₂-)和酸性位点。

（3）通过在HZSM-5载体上负载单层分散阈值量的Co₃O₄，可制备得到反应性能最佳的Co₃O₄/ZSM-5催化剂，且该催化剂具有良好的抗水抗硫中毒性能。

相关成果以“On the monolayer dispersion behavior of Co₃O₄ on HZSM-5 support: Designing applicable catalysts for selective catalytic reduction of nitrogen oxides by ammonia”为题发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering(DOI: 10.1007/s11705-023-2332-x)。

作者及团队介绍

王翔（通讯作者），南昌大学化学化工学院，教授，博士生导师，“赣江学者”特聘教授，江西省能源与环保催化重点实验室主任，江西省“双干计划”长期创新领军人才。主要从事工业催化、多相催化和表面化学研究。主持国家自然科学基金4项、省级课题及横向项目10余项。迄今已在国内外化学化工期刊发表学术论文160余篇，被引用5000余次。授权发明专利10余项，部分专利已投入实际应用。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn