水对基于铜的小孔沸石催化剂上NH?-SCR反应的影响：综述

《Applied Catalysis A: General》：Water Effects on NH 3-SCR over Cu-Based Small-Pore Zeolite Catalysts: A Review

水蒸气对Cu-zeolite催化剂选择性催化还原氮氧化物（SCR）性能的影响机制研究，涵盖NO转化、N?O生成、Cu离子形态及动力学机制。发现水在不同温度、催化剂结构和负载量下产生复杂作用，如促进Cu reducibility并抑制硝酸盐形成，其效果高度依赖催化剂类型（如Cu-SSZ-13、Cu-SAPO-34、Cu-SSZ-39）及反应条件。

　　在现代工业和交通领域，氮氧化物（NO?）的排放一直是一个严峻的环境问题。为了有效控制这些污染物，科学家们开发了多种催化技术，其中以氨选择性催化还原（NH?-SCR）技术尤为突出。NH?-SCR技术通过将氨（NH?）作为还原剂，在催化剂作用下将NO?转化为氮气（N?）和水（H?O），被认为是柴油发动机和移动源排放控制的关键手段。近年来，随着对催化剂性能的深入研究，特别是对水蒸气在催化过程中的作用，科学家们逐渐认识到水在NH?-SCR反应中的多重影响。

小孔径铜分子筛催化剂，如Cu-SSZ-13、Cu-SAPO-34和Cu-SSZ-39，因其在柴油发动机尾气处理中的广泛应用而受到广泛关注。这些催化剂具有较高的催化效率、优异的氮气选择性和良好的热稳定性，使其成为当前主流的SCR技术之一。然而，尽管已有大量研究关注铜分子筛的热稳定性，但对水蒸气在实际操作条件下的作用机制，尤其是其对NO?转化、N?O生成、铜离子的种类与迁移以及氧化还原动力学的影响，仍存在许多未解之谜。

水蒸气在NH?-SCR反应中扮演着复杂而关键的角色。它不仅影响反应的进行，还可能改变催化剂的结构和性能。研究表明，水蒸气在不同温度和条件下会对反应产生不同的影响。例如，在低温条件下，水蒸气可能会抑制NH?的吸附，从而降低NO?的转化效率。而在高温条件下，水蒸气则可能促进硝酸盐路径的反应，提高NO?的转化率。此外，水蒸气还可能影响铜离子的种类和迁移，改变催化剂的氧化还原动力学，进而影响整体反应效率。

对于Cu-SSZ-13这类催化剂，水蒸气的影响尤为显著。在低温条件下，水蒸气可能抑制硝酸盐的形成，而在高温条件下则可能促进硝酸盐的分解，从而影响N?O的生成。同时，水蒸气还可能通过改变铜离子的配位状态，影响催化剂的活性和稳定性。这些研究揭示了水蒸气在NH?-SCR反应中的复杂作用机制，强调了在催化剂设计和优化过程中，必须充分考虑水蒸气的多面性。

Cu-SAPO-34作为另一种常见的铜分子筛催化剂，其性能同样受到水蒸气的显著影响。水蒸气能够提高铜离子的还原性，增强Br?nsted酸性，从而促进NO的转化。研究表明，水蒸气在Cu-SAPO-34催化剂中能够通过改变铜离子的配位状态，降低氧气（O?）的活化能，提高催化剂的活性。这种影响在高温条件下尤为明显，表明水蒸气在提高催化剂性能方面具有重要作用。

Cu-SSZ-39作为第三种常见的铜分子筛催化剂，其对水蒸气的响应也显示出独特的特性。水蒸气能够促进铜离子的还原和迁移，提高氧气的活化能力，从而增强催化剂的水耐受性。这种效应不仅提高了催化剂的稳定性，还意外地增强了其催化性能。研究表明，水蒸气在Cu-SSZ-39催化剂中能够通过改变铜离子的配位状态，促进催化剂的活性和选择性，使其在实际应用中表现出更高的效率。

这些研究结果表明，水蒸气对NH?-SCR反应的影响是复杂且高度依赖于催化剂类型的。不同类型的催化剂在水蒸气作用下的反应机制和性能表现各不相同，这要求在催化剂设计和应用过程中，必须充分考虑水蒸气的多面性。通过深入研究水蒸气的作用机制，科学家们能够更好地优化催化剂的设计，提高其在实际应用中的性能和稳定性。

此外，水蒸气在反应中的作用还可能受到多种因素的影响，包括温度、铜负载量、Si/Al比值以及反应条件。例如，高温条件下水蒸气可能促进硝酸盐路径的反应，而低温条件下则可能抑制硝酸盐的形成。这些影响在不同类型的催化剂中可能表现出不同的特点，这要求在催化剂设计和优化过程中，必须综合考虑这些因素。

随着氢内燃机（H?-ICEs）等新兴技术的发展，对水蒸气在NH?-SCR反应中的作用研究变得更加重要。氢内燃机的尾气中可能含有更高浓度的水蒸气，这对其催化剂的性能提出了新的挑战。因此，有必要进一步研究水蒸气在不同催化剂中的作用机制，以期开发出更加高效和稳定的催化剂，满足新兴技术的需求。

综上所述，水蒸气在NH?-SCR反应中的作用是复杂且高度依赖于催化剂类型的。不同类型的催化剂在水蒸气作用下的反应机制和性能表现各不相同，这要求在催化剂设计和应用过程中，必须充分考虑水蒸气的多面性。通过深入研究水蒸气的作用机制，科学家们能够更好地优化催化剂的设计，提高其在实际应用中的性能和稳定性。这些研究结果不仅有助于理解催化剂的性能，也为未来的催化剂开发提供了重要的理论依据和实践指导。