《汽車尾氣中NOx污染物催化消除機理的第一性原理研究》是依託吉林大學，由劉靖堯擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：汽車尾氣中NOx污染物催化消除機理的第一性原理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉靖堯
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
我國汽車尾氣污染嚴重，汽車尾氣已成為最主要的環境污染源之一。如何有效地消除汽車尾氣排放物NOx、設計新型高效的尾氣消除催化劑，是當前大氣污染治理和環境催化領域的熱點研究課題之一。因此，從理論上探索尾氣消除的反應機理及影響催化劑活性和選擇性的各種因素具有重要意義。本項目擬運用第一性原理密度泛函理論，系統深入地研究在NOx選擇性催化還原(SCR)和儲存還原(NSR)過程中，NOx與還原性物質在貴金屬表面、合金及負載催化劑表面的吸附性質和催化反應。通過理論計算和模擬，揭示反應的微觀機理，探索催化劑的組成、結構及反應條件等對其活性和選擇性的影響，解釋實驗現象。在深入研究催化劑的結構特點和催化反應機理的基礎上，闡明NOx消除過程中影響催化劑性能的關鍵因素，設計具有高活性和高選擇性的NOx消除催化劑，為進一步的實驗研究和環境污染治理提供可靠的基礎理論依據。
結題摘要
NOx是機動車尾氣排放的主要污染物，對生態環境和人類健康都有很大危害，因此，如何有效消除NOx、設計新型高效尾氣消除催化劑，是目前大氣治理和環境催化領域備受關注的研究課題。本項目利用第一性原理密度泛函理論結合微觀動力學計算，對NOx在（非）貴金屬、雙金屬合金、金屬氧化物等催化劑表面的吸附和反應進行了系統研究。通過計算，確定了單原子合金TM@Pt和單層雙金屬合金TM-Pt-Pt 和Pt-TM-Pt（TM= Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Os, Pd, Ir等）表面結構的穩定性，獲得NO及其反應中間體在合金表面上的吸附結構和電子結構，分析了吸附前後過渡金屬d帶中心的變化及其與吸附能的關係。計算結果表明具有核殼結構Pt/TM的合金催化劑具有很好的NO解離活性和N2選擇性。研究了不同還原性物質如H2、CO和烴類分子（CH2）等作用下，NOx選擇催化還原（SCR）和儲存還原（NSR）反應的微觀機理，確定了反應物種在催化劑表面最優的解離、氧化-還原反應通道及不同含氮產物的生成路徑。結果表明催化劑的活性中心、不同的晶面結構、以及表面預吸附物種如氧或氫原子等對NO消除反應催化活性和選擇性有重要影響，並通過微觀動力學計算，進一步得到了表面反應的反應速率及產物選擇性隨反應條件如溫度和壓力（表面物種的覆蓋度）的變化關係。通過對NOx在一些金屬氧化物 (如Co3O4, CoO, Rh1/Co3O4, CuO, Cu2O, Pt/BaO, Pt1/Fe2O3和Pt-cluster/Fe2O3) 表面上的研究，發現除了金屬活性中心，晶格氧和表面重構組成如金屬原子替換、負載原子或團簇的尺寸效應和表面缺陷等，對NOx及反應中間體的吸附穩定性和氧化-還原路徑等都有重要作用，是影響反應活性的關鍵因素。基於以上研究結果，我們對NOx在SCR和NSR過程中的催化反應機理有了更全面的理解和認識，並初步探索了催化劑的組成-結構-性質對催化活性和產物選擇性的影響。研究工作可為實現新型高效NOx消除催化劑的分子設計和治理汽車尾氣污染的實驗研究提供基礎理論依據。
