DB-FTIR光谱技术揭示了沸石催化剂中Cu物种的受限驱动调制机制，该机制适用于低温NH3-SCR（选择性催化还原）反应中NOx的转化过程

《Journal of Catalysis》：DB-FTIR spectroscopy unravels confinement-driven modulation of Cu species in zeolite catalysts for low-temperature NH 3-SCR of NO x

选择性催化还原催化剂的拓扑调控机制及活性提升研究。通过X射线吸收光谱和原位双光束红外光谱等先进表征技术，系统揭示了CHA骨架的小孔道效应对Cu活性物种的稳定作用，证实六元环拓扑结构促进Cu+低配位态形成，增强硝酸盐转化效率，实现低温（<200℃）高活性NOx催化净化。

　　在当今社会，随着工业化和城市化的加速发展，空气污染问题日益严峻，其中氮氧化物（NOx）作为主要污染物之一，对生态环境和人类健康造成了巨大威胁。NOx的排放不仅会导致酸雨、光化学烟雾和细颗粒物（PM2.5）的生成，还可能引发一系列环境和健康问题。因此，开发高效的NOx治理技术成为科研和工业领域的重要课题。在众多治理技术中，氨选择性催化还原（NH3-SCR）因其高效性和环境友好性，被广泛应用于减少移动源和固定源的NOx排放。然而，传统的过渡金属氧化物催化剂，如V2O5-WO3/TiO2、MnOx和CeOx基系统，通常需要较高的操作温度（>250?°C），并且在低温下表现出较差的热稳定性以及较低的N2选择性。这使得寻找能够在低温条件下高效工作的催化剂成为迫切需求。

近年来，铜交换沸石催化剂因其在低温条件下表现出的优异性能，成为NH3-SCR技术中的研究热点。尤其是Cu-SSZ-13催化剂，由于其独特的结构特性，在低温下的表现尤为突出。Cu-SSZ-13催化剂中，铜物种的存在形式与催化活性密切相关，主要分为两种类型：一种是位于六元环（6MRs）中的Z2Cu2+物种，另一种是与孤立Al位点相关联的[CuII(OH)]+–Z物种，通常位于八元环（8MRs）附近。这两种铜物种在结构、电子特性和反应行为上存在显著差异，从而对NOx的活化、硝酸盐的转化以及整体SCR反应动力学产生不同的影响。

为了深入理解铜物种在不同沸石结构中的行为及其对催化性能的影响，本研究采用了多种先进的表征技术，包括X射线吸收光谱（XAS）、原位双束傅里叶变换红外光谱（DB-FTIR）、低温CO/NO吸附实验以及催化性能评估。通过这些技术的综合应用，研究人员能够更准确地解析铜物种在不同沸石框架中的分布、电子状态以及与反应物的相互作用。实验结果表明，CH框架（如Cu-SSZ-13）对铜物种的强空间约束作用，不仅促进了大量Cu+位点的形成，还有效稳定了Z2Cu2+物种，从而增强了硝酸盐的转化效率和低温NOx的转化能力。相比之下，MFI和BEA框架（如Cu-ZSM-5和Cu-Beta）由于其较大的孔径，导致铜物种在结构上受到的约束较弱，进而影响其催化活性和稳定性。

此外，本研究还对比了不同合成方法对Cu-SSZ-13催化剂中铜物种分布和催化性能的影响。通过离子交换法和一锅法合成的Cu-SSZ-13催化剂，在铜物种的分布和活性方面表现出显著差异。实验结果表明，离子交换法能够更有效地控制铜物种的分布，使其更倾向于形成稳定的Z2Cu2+物种，而一锅法则可能在一定程度上影响铜物种的分散度和活性。这种合成方法的差异，进一步揭示了沸石结构对铜物种行为的调控机制。

为了更全面地理解铜物种在不同沸石结构中的行为，研究人员还对Cu-SSZ-13催化剂进行了系统的比较研究，包括其与氧化物支持的铜催化剂（如Al2O3和SiO2支持的铜催化剂）的对比。通过这些比较，研究人员发现，CH框架对铜物种的强空间约束作用，不仅有助于形成高浓度的Cu+位点，还能够有效稳定Z2Cu2+物种，从而提高硝酸盐的转化效率和低温NOx的转化能力。这些发现为理解沸石结构与催化活性之间的关系提供了重要的理论基础，也为设计高效、稳定的低温NOx治理催化剂提供了新的思路。

在催化性能评估方面，研究人员在高气时空速度（GHSV = 600,000?h?1）条件下对Cu-SSZ-13、Cu-ZSM-5和Cu-Beta催化剂进行了测试，以模拟实际工业应用中的苛刻条件。测试结果表明，NOx的转化率随着温度的升高而逐渐增加，且在该温度范围内，Cu-沸石催化剂表现出优于其氧化物支持对照物的催化活性。这进一步验证了沸石结构对铜物种行为的调控作用，以及其对催化性能的显著影响。

本研究的创新之处在于，通过整合多种先进的表征技术，系统地解析了沸石结构对铜物种行为的调控机制。特别是原位DB-FTIR技术的引入，使得研究人员能够在反应条件下实时监测铜物种的动态变化，从而更准确地解析其在不同反应阶段的行为。同时，低温CO/NO吸附实验的应用，使得研究人员能够更全面地了解铜物种与反应物之间的相互作用，以及其对催化活性的影响。

通过这些研究，研究人员不仅揭示了沸石结构与催化活性之间的关系，还为设计高效、稳定的低温NOx治理催化剂提供了理论支持。这些发现对于推动NOx治理技术的发展，满足日益严格的排放标准具有重要意义。此外，本研究还强调了催化反应中红ox循环的重要性，特别是在低温条件下，红ox循环的效率直接影响NOx的转化率和催化剂的稳定性。

在实际应用中，这些研究成果可以为工业催化反应的设计和优化提供指导。例如，在汽车尾气处理、工业废气净化等领域，通过选择具有特定结构的沸石催化剂，可以有效提高NOx的转化效率，降低对环境的影响。同时，这些研究也为进一步探索其他类型的催化剂提供了基础，有助于推动环境友好型材料的研发。

总之，本研究通过系统地解析沸石结构对铜物种行为的调控机制，揭示了铜交换沸石催化剂在低温NH3-SCR反应中的关键作用。这些发现不仅为理解催化反应的基本原理提供了新的视角，也为设计高效、稳定的NOx治理催化剂提供了理论依据和技术支持。未来，随着更多先进表征技术的应用，相信能够进一步揭示催化剂的微观行为，推动NOx治理技术的发展，实现更加环保的工业生产和生活场景。