基底结构对SCO-SCR催化剂涂层DPF被动碳烟氧化与NOx还原效能的调控机制研究

【编辑推荐】为应对日益严格的柴油车排放法规，研究人员创新性地将SCO（选择性催化氧化）与SCR（选择性催化还原）催化剂集成于DPF（柴油颗粒过滤器），构建n-SDPF系统。通过多物理场耦合模型，揭示了基底结构参数（壁厚、长度、通道宽度比）对NOx转化效率（最高提升至88.41%）和碳烟氧化率（最高达18.28%）的调控规律，为低排放后处理系统设计提供理论支撑。

　　

随着全球排放法规的日益严苛，柴油发动机面临的NOx和颗粒物(PM)减排压力持续升级。美国EPA 2023年新规将重型车NOx限值压降至35 mg/hp-hr，中国VIb标准更要求NOx排放较国五降低77%，而欧洲Euro 7甚至将颗粒检测粒径下探至10 nm。传统"DPF+SCR"分体式后处理系统存在体积大、低温活性不足的缺陷，亟需开发高度集成的解决方案。

山东工业技术研究院的研究团队创新性地将MnO₂
-CeO₂
/Al₂
O₃
（SCO催化剂）与Cu-SSZ-13（SCR催化剂）复合，开发出新型SCO-SCR双功能催化剂，并涂覆于不对称碳化硅基底构建n-SDPF系统。通过建立包含流体力学、传质、化学反应与传热的多物理场耦合模型，系统研究了基底结构对催化性能的影响。

关键技术包括：1）采用合成气流动反应实验验证模型准确性；2）二维单通道模型模拟不同基底参数下NOx转化与碳烟氧化过程；3）对比分析壁厚（0.25-0.4 mm）、壁长（140-200 mm）及通道宽度比（1-1.6）的调控效应。

结果与讨论

1. 基底壁厚影响：当壁厚从0.25 mm增至0.4 mm，NOx转化效率提升11.63个百分点（74.76%→86.39%），因增大的比表面积提供了更多活性位点；碳烟氧化率仅微增0.8个百分点（15.03%→15.83%），表明壁厚对氧化反应影响较弱。
2. 壁长延伸效应：壁长200 mm时NOx转化率达88.41%（较140 mm提升9.96个百分点），碳烟氧化率提升3.66个百分点（14.62%→18.28%），且压降降低，证实延长反应通道可协同优化催化性能与流体阻力。
3. 通道宽度比调控：当入口/出口宽度比从1增至1.6时，气体分布不均导致NOx转化效率下降13.16个百分点（91.01%→77.85%），碳烟氧化率降低5.63个百分点（20.04%→14.41%），揭示对称通道设计更利于反应物均匀分布。

结论与意义
该研究首次阐明SCO-SCR催化剂在DPF基底上的"结构-性能"耦合机制：1）SCR路径优先于NH₃
氧化反应激活；2）壁长延伸展现出最优技术经济性，可实现NOx转化率提升与压降降低的双重优化；3）通道对称性对气体传质效率具有决定性影响。研究成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》，为满足Euro 7/国六b等严苛标准提供了新型n-SDPF设计范式，其多物理场建模方法亦可推广至其他复合催化系统研究。