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研究人员解析催化剂结构-性能关系 减少内燃机排放

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58京牌 ,约翰·霍普金斯大学怀廷工程学院(Johns Hopkins University’s Whiting School of Engineering)化学和生物分子工程系教授Chao Wang领导的团队发现了一种新方法,可以定量表征在工业中广泛用作催化剂材料的活性位点中的原子结构。这项工作为更环保、更可持续性能源设计奠定基础。

(图片来源:约翰·霍普金斯大学)

研究人员表示:“凭借在工作中积累的知识,我们可以设计出更好的催化剂/材料,提高许多化学过程的能源和化学转换效率,比如排放控制、将天然气转化为液体化学原料或燃料。最终目标是减少内燃机排放和废气排放,并以更清洁、更绿色的方式使用天然气。”

在此项研究中,研究团队使用了铜交换沸石。这种沸石可以分解具有污染性的一氧化氮(NO),在工业过程中经常被用作经济高效的催化剂。然而,这些材料的结构及其行为之间的关联尚未明了。

首先,研究人员合成了各种铜交换沸石,并利用反应吸附,通过光谱分析表征沸石的原子结构和吸附性能。然后,他们使用密度泛函理论(DFT)计算来建立吸附分析和催化动力学之间的线性关联。Wang表示:“高性能铜交换沸石分解NO的秘密在于,NO分子微妙地吸附和压缩在铜二聚体上。据观察,这一过程是渐进性的。”

研究团队发现,在这种铜交换ZSM-5微孔系统中,作为控制NO分解催化性能的关键参数,吸附性能和压缩能受到沸石催化剂中二聚体位点的数目和Cu-Cu平均距离的影响。研究人员Pengfei Xie表示:“我们整合尖端的实验和计算技术,首先对铜二聚体进行量化,然后测量平均距离,并催化性能。二聚体催化剂也适用于其他重要的工业反应,如甲烷氧化。我们希望能为设计和开发先进的催化材料提供启示。”

研究人员计划利用此项工作中的发现,进一步开发在低温下有效去除尾气中氮氧化物的新技术。Wang表示:“这将解决车辆冷启动时排放废气的巨大挑战。”

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