水滑石基MnxMg3-xAlO催化剂用于碳烟和氮氧化物催化消除

柴油发动机具有高功率、低油耗和低CO2排放等优势，目前已在重型车和工程机械上广泛应用，在轻型车和轿车上的应用也日益增多。但是柴油在燃烧过程中产生大量碳烟（Soot）和氮氧化物（NOx），给大气环境带来了严重污染。如何消除这些污染一直是人们关注的焦点。碳烟和NOx的同时催化消除是一条有效途经，但需要开发相关高性能催化剂。

用于Soot和NOx共消除的催化剂主要有贵金属、分子筛、钙钛矿和尖晶石等，但这些催化剂仍存在易中毒、比表面积小和热稳定性不够等缺点。水滑石基复合氧化物是一种多孔酸碱双功能材料，具有比表面积大和组成均匀等优点，可用作催化剂或其载体。天津大学化工学院孟明教授领导的研究组将MnMgAl水滑石基复合氧化物用于Soot-NOx催化共消除反应，通过Mn含量调变实现了Soot和NOx的同时高效去除，相关研究成果已发表在2010年5月的《Environmental Science & Technology》上。

研究组与BSRF合作利用EXAFS对MnxMg3-xAlO样品（标记为Mnx）中Mn的配位环境和价态进行了表征。径向结构函数RSF（图1，相散射位移未校正）表明，少量Mn存在时（Mn0.5，Mn1.0和Mn1.5），样品的RSF与Mg2MnO4相近，配位间距在0.155、0.208、0.250和0.295 nm处，可分别归属于第一壳层的Mn-O配位、第二壳层和第三壳层的Mn-Mn配位以及第四壳层Mn-O和Mn-Mn配位的叠加。另外，有少量MnAl2O4存在，因为第三壳层的配位间距（约0.24 nm）随着Mn含量的增加而增大，这与MnAl2O4在此处具有更大的配位距离（0.271 nm）相吻合。当引入更多Mn时（Mn2.0，Mn2.5和Mn3.0），样品的RSF发生了变化，与Mn3O4更加类似，但在0.282 nm处出现了Mn2O3的配位峰。因此，得出结论：对于低Mn含量的催化剂，Mg2MnO4和MnAl2O4是主要Mn物种；高Mn含量会导致Mn3O4和Mn2O3的形成。该表征结论与MnxMg3-xAlO水滑石基催化剂的催化性能能很好关联。

图1 EXAFS拟合得到的Mn的K边径向结构函数：(a) 标样；（b）催化剂

这一研究成果具有非常重要的价值：（1）获得了具有高效Soot-NOx共消除活性的MnxMg3-xAlO水滑石基复合氧化物催化剂配方，为相关实用性催化剂的开发以及柴油车的进一步推广使用提供技术参考；（2）运用EXAFS技术协助进行催化剂的物相研究，有利于弄清反应的活性位，为进一步深入探讨反应路径或机理奠定了良好的理论基础。

发表文章：

Qian Li1 , Ming Meng1*, Hui Xian1, Noritatsu Tsubaki2, Xin-Gang Li1, Ya-Ning Xie3, Tian-Dou Hu3, Jing Zhang3, Hydrotalcite-Derived MnxMg3-xAlO Catalysts Used for Soot Combustion, NOx Storage and Simultaneous Soot-NOx Removal, Environmental Science & Technology, 2010 (44) 4747-4752.

1Tianjin Key Laboratory of Applied Catalysis Science and Engineering, School of Chemical Engineering & Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China, 2Department of Applied Chemistry, School of Engineering, University of Toyama, Gofuku 3190, Toyama city, Toyama 930-8555, Japan

3Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China

To whom correspondence should be addressed. E-mail:mengm@tju.edu.cn（M.M.）