Cu-Al水滑石前驱体层间阴离子调控及其在CO还原NO反应中的高效催化机制研究

为解决汽车尾气中NOx和CO污染问题，研究人员通过共沉淀法合成含不同层间阴离子（CO32-、对苯二甲酸根、Ce-二吡啶羧酸配合物）的Cu-Al水滑石前驱体，经煅烧获得催化剂。结果表明，含Ce催化剂通过促进Cu物种低温还原和氧空位形成，显著提升N2选择性并抑制N2O生成，为替代贵金属催化剂提供新策略。

　　

汽车尾气中的氮氧化物（NO_x）和一氧化碳（CO）是城市空气污染的主要元凶。尽管三效催化剂（TWC）能同时转化这些污染物，但其依赖贵金属（如铂、铑）的特性导致成本高昂，且低温下易生成强温室气体N₂O。铜基催化剂因低成本和高低温活性成为替代方案，但如何平衡催化活性与N₂选择性仍是挑战。

针对这一难题，来自巴西的研究团队创新性地设计了一系列层间阴离子调变的Cu-Al水滑石（Hydrotalcite）前驱体。水滑石作为层状双氢氧化物（LDH），其独特的层板结构和可交换阴离子特性，为精准调控催化剂性能提供了理想平台。研究通过共沉淀法合成含CO₃^2-、对苯二甲酸根和Ce(III)-二吡啶羧酸配合物的前驱体，经煅烧获得多孔混合氧化物催化剂，系统考察了其对NO+CO反应的催化性能。

研究采用同步辐射X射线衍射（XRD）、对分布函数（PDF）模拟、程序升温还原（TPR）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料结构。催化测试在固定床反应器中进行，通过气相色谱分析产物分布。

XRD与PDF分析揭示结构特征
同步辐射XRD证实所有前驱体均成功形成水滑石相。PDF分析首次证明Ce配合物完整嵌入层间域，其层间距（14 ?）远超碳酸根型（7.6 ?）。煅烧后催化剂呈现CuO和尖晶石相，含Ce样品中CeO₂与铜物种的紧密接触通过Raman氧空位信号得到验证。

TPR与XPS揭示还原机制
TPR显示含Ce催化剂使Cu²⁺还原温度降低约50°C，XPS证实其表面Cu⁺/Cu⁰比例提升。这种效应源于Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环促进的电子转移，以及CeO₂诱导的氧空位形成，为反应提供活性位点。

催化性能与选择性调控
碳酸根型催化剂虽在200°C即实现100% NO转化，但N₂O选择性高达40%。而对苯二甲酸根衍生催化剂通过增大比表面积（120 m²/g）和优化Cu分散度，在中等转化率下N₂选择性达90%。Ce改性催化剂则展现出独特的"温度-选择性"响应：低温阶段（<250°C）优先形成N₂，高温时通过N₂O二次解离进一步提升N₂产率。

该研究开创性地将大体积有机阴离子和稀土配合物引入水滑石层间，通过结构设计实现三个突破：1）突破传统水滑石Al³⁺含量限制（x=0.5），拓宽组分调控空间；2）利用Ce的氧缓冲能力降低铜还原势垒；3）通过层间域化学微环境调控产物分布。这些发现为开发非贵金属汽车催化剂提供了新思路，尤其对解决冷启动阶段的N₂O排放问题具有实际意义。论文中建立的"阴离子体积-孔结构-金属价态-选择性"关联模型，可延伸至其他多相催化体系的设计。