IrSi 由于载体尺寸效应在Ir/SiO?催化剂上产生的3个界面位点，这些位点对CO-SCR（选择性催化还原）脱氮过程具有影响

《Applied Catalysis B-Environment and Energy》：IrSi 3 interfacial sites derived from support-size effect over Ir/SiO 2 catalyst for CO-SCR denitrification

催化剂设计|CO-SCR反应|支持体尺寸效应|Ir纳米颗粒|价态分布|界面位点|密度泛函理论|氮氧化物还原|催化剂活性|低负载量优化

　　本研究聚焦于催化剂中关键活性组分的特性及其对催化性能的影响，特别关注了载体尺寸变化如何改变金属颗粒的几何结构与价态分布，从而影响其催化效果。通过系统制备不同载体尺寸的1 wt% Ir掺杂SiO?微球催化剂，研究人员发现，催化剂活性在不同载体尺寸下呈现出显著波动，这与催化剂表面Ir物种的分布模式和价态变化密切相关。在研究过程中，重点筛选出具有最佳NO催化活性的Ir基催化剂（1?% Ir/SS-8NT），其载体尺寸为中等大小（约500?nm）。该催化剂具有更丰富的低价态Ir位点，尤其是来源于载体尺寸效应的大量IrSi?界面位点，这些位点有助于抑制Ir组分的聚集，并促进NO的吸附与活化，从而提高催化效率。

在催化反应中，NO的吸附与活化是决定反应速率的关键步骤。而IrSi?界面位点的形成与载体尺寸密切相关。当载体尺寸适中时，Ir纳米颗粒在载体表面的分布更为均匀，这不仅增加了Ir位点的暴露程度，还优化了其价态分布，使其能够更有效地参与NO的吸附与活化过程。此外，这些界面位点还能作为辅助活性位点，与主活性位点协同作用，进一步提升催化剂的性能。相反，当载体尺寸过大或过小时，Ir纳米颗粒的暴露程度受到限制，导致催化活性下降。例如，较大载体（800?nm）或较小载体（300?nm）均对Ir纳米颗粒的暴露产生负面影响，从而降低了催化剂的效率。

在研究过程中，研究人员不仅关注了载体尺寸对Ir纳米颗粒暴露的影响，还深入探讨了不同氧环境下的CO-SCR反应机制。在有氧条件下，CO容易被O?氧化，这会削弱其作为还原剂的作用，进而影响催化性能。而在无氧条件下，CO的还原能力则更为显著。因此，理解不同氧环境下催化剂的反应机制对于优化其性能至关重要。通过结合实验表征、原位DRIFTS（漫反射红外傅里叶变换）和DFT（密度泛函理论）计算，研究人员揭示了IrSi?在NO吸附与活化过程中的重要作用。这些计算结果表明，IrSi?界面位点在NO的吸附和活化过程中表现出更高的活性，这可能是由于其特殊的电子结构和几何构型所导致。

此外，研究还指出，传统的NH?-SCR（氨选择性催化还原）技术虽然在NOx去除方面具有较高的效率，但其在实际应用中存在一些局限性。例如，NH?-SCR系统容易产生氨滑脱现象，即部分未反应的氨会进入尾气，导致二次污染。相比之下，CO-SCR技术利用尾气中已有的CO作为还原剂，无需额外添加，因此在环保和经济性方面更具优势。然而，CO在有氧条件下容易被氧化，这会削弱其还原能力，进而影响催化效果。因此，如何在有氧环境下保持CO的还原活性，是当前CO-SCR催化剂研究的重要课题。

在这一背景下，研究团队选择了Ir基催化剂作为研究对象，因为其在有氧条件下表现出优异的氧化稳定性。特别是Ir/SiO?体系，在有氧环境下能够维持较高的催化活性，这使其成为CO-SCR催化剂的理想选择。然而，传统Ir基催化剂的负载量较高（通常超过1 wt%），这不仅增加了成本，还可能带来其他负面影响。因此，如何在降低负载量的同时保持催化剂的高活性，成为研究的关键方向。通过调整载体尺寸，研究人员发现，当载体尺寸适中时，Ir纳米颗粒的分布更为均匀，其价态分布也更加合理，这有助于提高催化剂的性能。

研究还指出，载体尺寸对金属纳米颗粒的大小和电子结构分布具有重要影响。通常情况下，较大的载体具有较高的比表面积，这有利于形成更小的纳米颗粒，从而提高催化活性。然而，不同金属纳米颗粒在不同载体尺寸下的表现可能存在差异。例如，某些金属纳米颗粒在特定载体尺寸下会表现出火山型趋势，即催化活性随载体尺寸的变化呈现先增加后减少的规律。而其他金属纳米颗粒可能表现出单调递减或尺寸无关的趋势。因此，理解载体尺寸与金属纳米颗粒之间的相互作用，对于设计高效催化剂具有重要意义。

为了系统研究载体尺寸对Ir纳米颗粒分布和价态的影响，研究团队通过控制合成过程中NH?·H?O的添加量，调节SiO?纳米球的尺寸，从而实现对Ir纳米颗粒尺寸和价态的精确调控。这种方法不仅能够有效控制催化剂的结构，还能进一步揭示其与催化性能之间的关系。通过实验表征和计算分析，研究人员发现，中等尺寸的SiO?纳米球（约500?nm）能够提供最佳的Ir纳米颗粒分布和价态，从而显著提升CO-SCR的催化性能。

研究团队还强调了IrSi?界面位点在催化过程中的关键作用。这些界面位点的形成与载体尺寸密切相关，当载体尺寸适中时，Ir纳米颗粒与SiO?载体之间的相互作用更为显著，从而促进IrSi?界面位点的形成。这些界面位点不仅能够有效吸附NO，还能促进其活化，进而提高NO的转化率。此外，IrSi?界面位点还能够作为辅助活性位点，与主活性位点协同作用，进一步提升催化效率。因此，研究团队认为，通过优化载体尺寸，可以有效调控Ir纳米颗粒的分布和价态，从而提升催化剂的性能。

在实验表征方面，研究团队采用了多种先进的分析手段，包括XRD（X射线衍射）、TEM（透射电子显微镜）、H?-TPR（氢气程序升温还原）等。这些技术能够帮助研究人员准确测定Ir纳米颗粒的尺寸、分布以及价态变化。此外，原位DRIFTS技术能够实时监测催化反应过程中NO的吸附与活化行为，从而揭示催化剂的反应机制。通过这些技术的综合应用，研究人员不仅能够获得催化剂的微观结构信息，还能深入了解其在不同反应条件下的行为。

研究还提到，传统的金属-载体相互作用（SMSI）在CO-SCR过程中具有重要作用。然而，当载体尺寸发生变化时，这种相互作用可能会受到影响。因此，研究团队特别关注了在惰性载体屏蔽下，载体尺寸对Ir纳米颗粒的电子结构和几何构型的影响。他们发现，当载体尺寸适中时，Ir纳米颗粒的电子结构和几何构型能够得到更好的优化，从而提升催化性能。而当载体尺寸过大或过小时，Ir纳米颗粒的分布和价态可能发生变化，进而影响催化效果。

研究团队的结论表明，通过调节载体尺寸，可以有效优化Ir纳米颗粒的分布和价态，从而提升CO-SCR催化剂的性能。中等尺寸的SiO?纳米球（约500?nm）能够提供更丰富的低价态Ir位点，并促进IrSi?界面位点的形成，这些位点在NO吸附与活化过程中表现出更高的活性。因此，这种催化剂在有氧条件下能够实现较高的NO转化率，同时保持较高的N?选择性。这些发现不仅有助于深入理解载体尺寸对催化性能的影响，还为设计高效、低负载的Ir基CO-SCR催化剂提供了理论依据和实践指导。

此外，研究团队还探讨了Ir基催化剂在CO-SCR过程中的应用前景。他们认为，随着环保法规的日益严格，同时去除NOx和CO的需求将不断增加。因此，开发高效、低负载的Ir基催化剂具有重要的现实意义。通过优化载体尺寸，研究人员不仅能够降低催化剂的负载量，还能提升其催化活性，这将有助于减少催化剂的成本，并提高其在实际应用中的可行性。

总的来说，这项研究通过系统调节载体尺寸，揭示了其对Ir纳米颗粒分布、价态以及催化性能的影响。研究人员发现，中等尺寸的载体能够提供最佳的催化效果，而过大或过小的载体则会对催化性能产生不利影响。这些发现不仅丰富了我们对催化剂结构与性能之间关系的理解，还为未来催化剂的设计和优化提供了新的思路和方法。通过进一步研究载体尺寸与催化性能之间的关系，可以为开发新型、高效的CO-SCR催化剂奠定基础。