晶格限域VOx调控LDH衍生Cu4Al1Ox电子结构实现NOx与CO协同催化消除

针对生物质燃烧烟气中NOx与CO协同治理难题，北京林业大学团队通过晶格限域策略构建Cu-O-V活性位点，开发出Cu4Al1V4Ox双功能催化剂，在250oC实现91.3% NOx转化率和98.4% CO氧化率，揭示了Mars-van Krevelen机制与d带中心调控的协同作用，为多污染物协同控制提供新思路。

　　

随着生物质能源的快速发展，其燃烧产生的氮氧化物（NO_x）和一氧化碳（CO）污染治理面临严峻挑战。传统催化技术往往只能单独处理某类污染物，而工业烟气中多组分共存会导致催化剂失活或效率下降。更棘手的是，生物质烟气温度通常高达300-400^oC，现有低温催化剂需额外能耗降温，与200-300^oC的最佳CO₂捕集温度区间错配。如何开发兼具中温活性与抗干扰能力的双功能催化剂，成为环境催化领域亟待突破的科学难题。

北京林业大学团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表的研究中，创新性地采用层状双氢氧化物（LDH）前驱体，通过"一步共沉淀"策略将钒（V）物种限域在CuO晶格中，构建出Cu₄Al₁V₄O_x催化剂。该材料在空速80,000 mL·g^-1·h^-1条件下，250^oC时NO_x和CO转化率分别达91.3%和98.4%，且具备优异的抗SO₂/H₂O性能。研究通过原位红外和密度泛函理论（DFT）计算，首次阐明晶格限域的V物种通过形成Cu-O-V构型，同时调控Lewis酸性和d带中心的双重作用机制。

关键技术方法包括：LDH共沉淀合成结合水溶性有机溶剂处理（AMOST）制备催化剂前体；X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构；程序升温还原（H₂-TPR）和原位漫反射红外傅里叶变换光谱（in situ DRIFTS）分析反应机理；DFT计算电子结构参数。

【结构特性】XRD与高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）证实V物种成功嵌入CuO晶格，形成原子级分散的Cu-O-V位点，相比表面负载V的催化剂，晶格限域使CuO抗烧结能力提升3倍。

【电子结构】XPS和电子能量损失谱（EELS）显示限域V的3d轨道部分未占据状态，使Lewis酸性位点密度增加47%，成为NH₃吸附的主要活性位点；同时将相邻Cu的d带中心下移0.8 eV，促进CO的σ-π共吸附。

【协同机制】in situ DRIFTS捕获到关键中间体：CO氧化遵循Mars-van Krevelen路径，消耗晶格氧形成氧空位，这些空位促进O₂解离为活性氧物种，进而加速NO吸附转化为亚硝酸盐，最终通过NH₃-SCR路径被还原为N₂。

【抗毒性能】在5 vol% H₂O和100 ppm SO₂共存条件下，催化剂仍保持85%以上NO_x转化率，归因于LDH衍生的层状结构有效阻隔毒物渗透。

该研究突破传统双活性位点催化剂的设计局限，通过晶格限域策略实现单活性位点的多功能化，不仅为多污染物协同控制提供新材料，更开创了"电子结构裁剪"的新型催化剂设计范式。其揭示的Cu-O-V构型动态演变规律，对开发其他环境催化体系具有重要指导意义。特别值得注意的是，该催化剂工作温度窗口与CO₂捕集工艺完美匹配，有望推动生物质能源-碳捕集一体化技术的发展。