江南大学刘小浩团队ACS Catal.:理论计算指导低温耐硫脱硝催化剂结构设计及揭示反应描述符

近日，江南大学化工学院刘小浩教授团队在稀土铈基低温耐硫脱硝催化剂“反应描述符”及“结构-性能”关系的研究中取得重要进展，相关研究成果在催化领域顶级期刊《ACS Catalysis》上发表（ACS Catal. 2021, 11, 7613-7636），该论文化工学院青年教师刘冰副教授为第一作者，中国人民大学环境学院张涛副教授和江南大学化工学院刘小浩教授为共同通讯作者。

工业废气和机动车尾气排放的氮氧化物（NO_x）是大气中细颗粒物（PM2.5）的主要前体物之一，还可产生光化学烟雾和硝酸型酸雨，严重危害人类生命健康和破坏生态环境。我国“十四五”规划提出了将NO_x排放总量减少10% 以上的减排目标。开发高效NO_x催化净化（脱硝）催化剂是实现NO_x减排的关键技术问题。在本项研究中，江南大学化工学院刘冰副教授与刘小浩教授采用“DFT理论计算指导催化剂结构设计”的研究手段（图1），从原子水平上精确调控稀土二氧化铈（CeO₂）的表面结构，获得了高活性、高耐硫性的Ce-Ti固溶体低温脱硝催化剂。通过综合分析DFT计算与实验结果，归纳出E_H/E_NH3和E_Vac是控制Ce-Ti催化剂活性的“反应描述符”。Ce-Ti固溶体结构的高活性源于其适中的E_H/E_NH3和E_Vac值。Ce-Ti固溶体中Ti位点特殊的几何结构和电子结构使其扮演着SO₂捕获位点的作用，从而有效保护催化活性中心。该项研究为设计高活性、高耐硫性稀土铈基低温脱硝催化剂提供了新的认识和理论基础（图2）。研究工作得到了国家自然科学基金（21802054, 21878127）、江苏省自然科学基金（BK20180587）和内蒙古自治区关键技术攻关计划（2019GG321）等项目的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c00311

▲图1. DFT理论计算指导催化剂结构设计及合成催化剂的反应性能

▲图2. Ce-Ti固溶体催化剂选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）的反应机理示意图