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太原理工大学吴旭课题组ACB：水滑石衍生MgAl-LDO低载Ag催化剂的构筑及其低温逃逸氨脱除性能提升机制研究

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-17 14:18

正文

▲第一作者：刘雪贞

通讯作者：吴旭

通讯单位：太原理工大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125031（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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聚焦10%Ag/Al₂O₃催化剂在NH₃-SCO应用中的不足，基于水滑石衍生复合氧化物材料的优异特性，构筑了高活性、高N₂选择性的Ag/MgAl-LDO催化剂，并深入研究了低Ag（5%）载量催化剂的低温逃逸氨脱除性能提升机制。

背景介绍

伴随低温NH₃-SCR技术快速发展，考虑其实际运行特征，探索前置SCR尾气特征下逃逸氨高效脱除意义重大。氨选择性催化氧化（NH₃-SCO）技术因其操作简便、NH₃去除率高、反应迅速及适于处理含氨浓度相对较低的有氧废气是一种有良好应用前景的逃逸氨脱除技术，为提高NH₃-SCO技术实用性并降低运行成本，研制开发适应性高效催化剂至关重要。Ag/Al₂O₃催化剂因其良好的NH₃-SCO催化性能被广泛研究，但该体系催化剂N₂选择性不够理想，活性中心Ag减量化使用等方面依然充满挑战。

研究出发点

课题组前期工作证实，MgAlO_x是潜在的Ag基催化剂优异载体（Journal of Catalysis 436 (2024) 115575）。基于水滑石衍生复合氧化物的优异特性，我们尝试利用LDHs衍生制备的MgAl-LDO作载体来改善Ag/Al₂O₃催化剂特性，构筑高性能低温逃逸氨脱除催化剂。实验及理论计算结果发现，MgAl-LDO载体丰富的羟基位点，更好地促进了Ag⁰活性物种的稳定构建和高度分散，优化了催化剂对NH₃和O₂的吸附和活化能力，显著提高了低载银催化剂的NH₃-SCO反应性能。该研究为设计高效逃逸氨脱除催化剂提供了新思路。研究发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy上（Applied Catalysis B: Environment and Energy,2025, 366 ,125031），太原理工大学化学与化工学院博士生刘雪贞为第一作者，吴旭教授为通讯作者。

图文解析

通过浸渍法分别制备了Ag/Al₂O₃和Ag/MgAl-LDO(O)催化剂，借助HAADF-STEM表征观察到（Fig. 1. (a-d)），相比于10%Ag/Al₂O₃催化剂（平均粒径为12.16 nm），降低银的负载量，5%Ag/Al₂O₃催化剂的颗粒尺寸降低（平均粒径为8.17 nm）。当载体由Al₂O₃改变为MgAl-LDO(O)时，5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂的颗粒尺寸进一步降低，平均粒径为2.83 nm，表现出较好的分散性。此外，原位红外及核磁表征揭示，相比于Al₂O₃载体，MgAl-LDO(O)表面丰富的羟基位点可以更有效地锚定Ag⁰活性组分，实现了活性组分的高度分散及活性中心的充分暴露（Fig. 1. (e-h)）。

Fig. 1. (a-d) HAADF-STEM images, (a) 10Ag/Al₂O₃, (b) 5Ag/Al₂O₃, (c, d) 5Ag/MgAl-LDO(O). (e, f) In situ DRIFTS analysis of hydroxyl content over samples using NH₃ as a probe molecule at 30 ℃, (g, h) ¹H MAS NMR spectra.

Ag-K边XAFS结果表明（Fig. 2. (a-b)），三种催化剂表面的Ag物种主要以金属Ag⁰及Ag⁺的混合形式存在。通过UV-vis，H₂-TPR及XPS Ag 3d等表征手段（Fig. 2. (c-f)）发现，相比于10%Ag/Al₂O₃催化剂，降低Ag负载量及改变载体，5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂表面构建出更多均匀分布的小粒径金属Ag纳米颗粒（Ag_NPs），显著提高了催化剂对NH₃和O₂的吸附和活化能力（Fig. 3. (a-c)）。

Fig. 2. (a) Ag K-edge XANES spectra, (b) χ(R) k³-weighted Fourier-transform EXAFS spectra, (c) The UV-vis spectra, (d) H₂-TPR, (e) Ag 3d XPS spectrum, (f) Ag MNN Auger spectrum for 10Ag/Al₂O₃, 5Ag/Al₂O₃, and 5Ag/MgAl-LDO(O) catalysts.

Fig. 3. The (a) NH₃-TPD spectra, (b) O₂-TPD spectra, and (c) O 1 s XPS spectrum of 10Ag/Al₂O₃, 5Ag/Al₂O₃ and 5Ag/MgAl-LDO(O) catalysts.

NH₃-SCO催化性能测试结果表明，5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂表现出优异的催化性能(Fig. 4(a-b))。动力学计算结果也显示出5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂具有较高的转化频率和更低的活化能（Fig. 4(c-d)），稳定性测试的结果显示出5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂的性能没有出现明显降低，表明通过MgAl-LDO(O)载体实现了对Ag⁰活性物种的有效优化。

Fig. 4. The (a) NH₃ conversion, (b) N₂ selectivity, (c) Arrhenius plots, (d) TOF values of 10Ag/Al₂O₃, 5Ag/Al₂O₃ and 5Ag/MgAl-LDO(O) catalysts.

原位红外光谱结果揭示了在5Ag/MgAl-LDO(O)催化剂表面的NH₃-SCO反应遵循i-SCR反应机制（Fig. 5(a-b)）。基于此，进一步的DFT计算结果（Fig. 6），i-SCR机制中控速步骤是NHNOH*+*→N₂*+H₂O*（* 代表催化剂金属表面未被占用的空位），在5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂表面更容易发生。

Fig. 5. In situ DRIFTS of NH₃ oxidation processes at 240 ℃. (a) 10Ag/Al₂O₃, (b) 5Ag/MgAl-LDO(O).

Fig. 6. Energy profile and optimized structures for N₂ generation reactions over Ag (111) and Ag₂O (111) surface.

总结与展望

以LDHs前驱体衍生的MgAl-LDO(O)为载体，成功制备了Ag/MgAl-LDO(O)催化剂，结合实验及理论计算证明，催化剂表面高度分散的小粒径Ag_NPs是将NH₃选择性氧化为N₂的更有效的活性位点，MgAl-LDO(O)载体上的羟基实现了对Ag_NPs的有效锚定和稳定构建，强化了对NH₃和O₂的吸附和活化能力，有效降低了NH₂NO*生成反应的能垒，从而表现出优异的氨氧化性能，5%Ag/MgAl-LDO(O)催化剂的氨氧化性能甚至优于10%Ag/Al₂O₃催化剂。研究为NH₃-SCO催化剂的高效构筑提供了技术储备，并为Ag基逃逸氨脱除催化剂的减量化使用提供了新思路。

作者介绍

吴旭，男，1980年生，博士，教授，博士生导师，太原理工大学化学与化工学院院长，山西省“教学名师”、山西省“五一劳动奖章”、山西“青年五四奖章”获得者。

教学上主要从事基础化学工作，先后主持省级教改项目3项，《大学化学》等期刊发表教改论文6篇；以第一完成人获评“国家级线上一流本科课程”，山西省“教学成果特等奖”，山西省高等学校“线上、线上线下混合式精品共享课程”，山西省普通本科高校课程思政示范课程等。先后荣获山西省本科院校“青年教师教学竞赛”一等奖，山西省普通高校“课程思政教学设计大赛”一等奖，山西省高校教师教学创新大赛一等奖，全国“青教赛”工科组三等奖，全国高校“教师教学创新大赛”基础课程正高组三等奖；

科研上主要围绕污染物催化消除及资源化利用开展研究，先后主持国家、省部级项目10余项；以第一作者或通讯作者在Journal of Catalysis、Applied Catalysis B: Environmental and Energy、Advanced Functional Materials等SCI学术刊物上发表论文70余篇，授权中国发明专利25件（转化3件），出版学术专著1部，指导毕业博、硕士20余人，获评山西省优秀研究生论文4篇，兼任全国醇醚燃料标准化技术委员会委员，山西省煤化工标准化技术委员会委员等。

文献信息

Xuezhen Liu, Yin Che, Jiangning Liu, Lifei Liu, Xianfeng Wu, Zhaoyang Fan, Yang Deng, Xia An, Xu Wu*. NH₃-SCO performance-boosting for Ag-based catalysts at low temperature: insight into LDHs-derived MgAl-LDO with low Ag loading, Applied Catalysis B: Environmental and Energy 2025, 366, 125031.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125031

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