La调控Cu-SAPO-34的氧化还原与酸碱位点协同作用实现高效NOx催化还原

针对Cu-CHA催化剂在宽温域活性和热稳定性不足的问题，研究人员通过La改性Cu-SAPO-34，实现"一石四鸟"效应：调控Cu2+氧化还原能力、稳定分子筛骨架、增加气体吸附位点并诱导"快速SCR"反应路径。该研究结合DFT计算与DRIFTS技术，为环境催化材料设计提供新思路。

　　

氮氧化物(NO_x)排放是造成雾霾和酸雨的主要元凶，而柴油车尾气处理是环境治理的硬骨头。虽然铜基菱沸石(Cu-CHA)催化剂如Cu-SAPO-34已在2010年商业化应用，但存在"鱼与熊掌不可兼得"的困境——低温活性与高温稳定性难以兼顾。更棘手的是，传统催化剂在150-500°C窗口外效率骤降，且高温下易发生骨架脱铝导致失活。这就像给汽车装了个"哮喘"的净化器，急加速时喘不过气，长跑时又体力不支。

江西和重庆的研究团队独辟蹊径，借鉴稀土元素在催化领域的"多面手"特性，将镧(La)引入Cu-SAPO-34分子筛。就像给催化剂装上了"智能调节阀"，通过La的电子桥梁作用，同时优化四个关键性能：铜的氧化还原能力、分子筛骨架稳定性、气体吸附位点和反应路径。这种"一石四鸟"的设计思路，在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表的研究中展现出惊人效果——改性后的CuLa_0.05-SAPO-34在160-504°C区间保持90%以上脱硝效率，比未改性的"兄弟"拓宽了近100°C的工作窗口。

研究团队采用多尺度表征技术：通过电子顺磁共振(EPR)和X射线吸收精细结构(EXAFS)锁定铜物种形态，X射线光电子能谱(XPS)追踪电子转移，结合原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)捕捉反应中间体。理论计算与实验验证双管齐下，就像给催化剂做了个"全身CT扫描"。

催化剂合成与性能
采用一锅水热法合成的CuLa_x-SAPO-34系列催化剂中，La含量0.05时效果最佳。有趣的是，纯La催化剂几乎"躺平"不干活，而Cu_0.2-SAPO-34本已表现不俗（150-500°C转化率>80%），La的加入却像按下"加速键"，使低温活性提升30%。

结构解析
X射线吸收近边结构(XANES)显示La的引入使Cu-O键长从1.53?缩短至1.51?，就像收紧的"弹簧"增强了电子传递。更精妙的是，通过氧桥连接的La-Al单元使Cu和Al分别损失0.06|e|和0.05|e|电子，这种微妙的电子重排既增强Cu²⁺/Cu⁺氧化还原循环，又像"水泥"般加固了分子筛骨架。

反应机制
DRIFTS捕捉到La改性表面NO₂吸附量增加3倍，触发"快速SCR"路径：NO+NO₂→N₂O₃→N₂。DFT计算揭示La位点像"分子磁铁"，通过路易斯酸性吸附NO，同时促进NH₃解离为活性NH₂物种。

结论与展望
该研究突破传统催化剂"头痛医头"的局限，通过La的协同调控实现四重增效：电子传输加速器（提升Cu氧化还原）、分子筛骨架稳定剂（抑制脱铝）、气体吸附增强剂（增加活性位点）、反应路径切换器（启动快速SCR）。Honggen Peng团队的工作不仅为柴油车尾气处理提供新方案，其"多靶点协同调控"策略更可推广至CO₂转化等环境催化领域。就像给分子筛装上了"智能芯片"，未来通过精准调控稀土元素种类与负载量，有望实现催化性能的"可编程化"。