低温下氢气在碱金属活化炭上还原 N2O 的机制：突破减排困境的关键探索

随着全球 N2O 排放法规趋严，传统 SCR 技术问题频出。研究人员开展碱金属活化炭在低温下催化 H2还原 N2O 的研究。发现不同碱金属影响各异，Ca-char 催化活性显著。该研究为低温 N2O 减排提供新思路。

　　在全球环境问题日益严峻的当下，N₂O（一氧化二氮）排放问题愈发引人关注。N₂O 是一种强效温室气体，其全球变暖潜能在 100 年时间尺度上约为二氧化碳（CO₂）的 273 倍，同时还对平流层臭氧造成严重破坏。据预测，如果目前的排放趋势持续下去，到 2050 年全球 N₂O 排放量可能会增加高达 83%。面对如此紧迫的形势，寻找有效的 N₂O 减排策略迫在眉睫。

在众多减排策略中，选择性催化还原（SCR）技术脱颖而出，成为备受瞩目的后处理技术。然而，传统 SCR 过程中最常用的还原剂氨气（NH₃）却存在诸多弊端。实际应用中，氨逃逸、空气预热器结垢、催化剂失活以及运营成本增加等问题层出不穷。更为严重的是，NH₃在 SCR 反应过程中还可能部分氧化为 N₂O，导致 N₂O 浓度升高，造成二次污染。而一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC_x）等替代还原剂同样存在局限性，它们不仅有毒有害，排放后会造成空气污染，而且在 SCR 过程中还会产生二氧化碳（CO₂）副产物。此外，传统 SCR 催化剂的适宜工作温度范围在 300 - 500℃，但尾气末端净化阶段的烟气温度却相对较低，大约在 100 - 200℃，这一温度差给减排工作带来了巨大挑战。

在此背景下，氢气辅助选择性催化还原（H₂-SCR）技术崭露头角，它具有高选择性和产生极少二次污染物的优势。不过，目前 H₂-SCR 的研究主要集中在 NO 还原方面，且大多依赖于贵金属催化剂，这在经济和实际应用上都存在一定的局限性。而碳基材料和金属氧化物具有经济、稳定的特点，其中炭材料展现出了一定的催化潜力，比如有研究发现，在 920℃时炭对 N₂O 的还原率可达 85%，超过了最有效的金属氧化物（Fe₂O₃，约 75%）。此外，碱金属能够通过修饰活性位点的电子结构、促进反应物吸附来显著提升催化性能。基于此，研究人员开展了关于低温下氢气在碱金属活化炭上还原 N₂O 机制的研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为低温 N₂O 减排提供了重要的理论依据和实践指导。

研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是密度泛函理论（DFT）计算，通过这种方法详细分析碱金属负载炭上 N₂O 在富氢环境中的反应路径，探究碱金属吸附位点对表面反应活性的影响。二是实验验证，进行 N₂O - TPD（程序升温脱附实验）和 H₂ - TPD 实验，从实验角度验证理论计算结果，建立理论与实验之间的关联。

研究结果

• 碱金属修饰的影响：通过理论计算发现，Ca 原子对炭的修饰会引发电子从 4s 激发到 3p 轨道，并与碳的 2p 轨道形成杂化键，增强了碳结构的 π 电子共轭。这使得 Ca 更倾向于吸附在炭的中间位置。而 K 和 Na 由于电子共轭和原子电荷分布的差异，更倾向于修饰在边缘位点。
• N₂O 还原途径差异：K/Na 修饰的炭对 N₂O 主要进行物理吸附，N₂O 还原需跨越较高的能垒；Ca 修饰的炭则促进了 N₂O 的化学吸附，能垒极小，展现出显著的催化活性。这表明不同碱金属修饰的炭在 N₂O 还原过程中有着不同的反应路径和活性表现。
• 反应速率决定步骤及活化能：研究还发现，所有体系的速率决定步骤都主要涉及 H₂O 的去除。Ca 修饰的炭将反应的活化能大幅降低至 42.1 kJ/mol，相比之下，K/Na 修饰的炭仅将活化能部分降低至 165.4 - 178.3 kJ/mol，而未修饰前的活化能高达 383 kJ/mol。这进一步说明了 Ca 修饰在降低反应活化能、提升反应效率方面的突出作用。
• 实验验证结果：实验表征结果，如 N₂O - TPD 和 H₂ - TPD 实验，揭示了 K - 炭、Ca - 炭和 Na - 炭不同的脱附行为，从实验角度验证了不同碱金属负载对炭表面活性的影响，与理论计算结果相互印证。

研究结论与讨论
该研究通过理论计算和实验验证，深入探索了低温下氢气在碱金属活化炭上还原 N₂O 的机制。明确了不同碱金属（K、Ca、Na）在炭上的负载位点差异，以及由此导致的 N₂O 还原途径和催化活性的不同。发现 Ca - 炭在降低反应活化能方面表现卓越，这为设计高效、低成本的低温 N₂O 减排系统提供了重要的理论基础。

此研究成果意义重大。一方面，它加深了人们对碱金属修饰炭催化剂上 N₂O 还原反应的理解，填补了相关理论研究的空白；另一方面，为开发新型低温 N₂O 减排技术提供了新的思路和方向，有助于推动环境科学领域在温室气体减排方面的进一步发展，对缓解全球气候变化和保护大气环境具有积极的推动作用。未来，基于这些研究成果，有望开发出更具应用价值的催化剂，实现低温条件下高效、稳定的 N₂O 减排，为全球环境保护事业贡献力量。