氮氧化物(NOx)是一類重要的大氣污染物，可以引發酸雨、灰霾、光化學煙霧等一系列大氣污染問題，嚴重危害生態環境和人類健康。人類活動產生的NOx主要來源于燃煤電廠等固定源和柴油車等移動源的燃燒排放。氨選擇性催化還原氮氧化物(NH3-SCR)是去除固定源和移動源NOx的主流技術，最為經典的NH3-SCR催化劑體系是釩基催化劑。雖然高釩負載量可以提高釩基催化劑的低溫活性，但是高釩催化劑具有較強的催化SO2轉化為SO3活性，且釩氧化物具有生物毒性，因此開發低釩負載量、且具有優異低溫活性的新型釩基催化劑是目前NH3-SCR技術應用的迫切需求。
釩基催化劑上釩物種的存在形式主要包括單體釩氧物種、低聚合態釩氧物種，以及結晶態V2O5。一般認為表面分散的釩物種(單體和低聚合態)是NH3-SCR反應的活性位點，因此表面分散物種受到廣泛的關注和研究。在低比表面積或者高負載量的釩基催化劑上會存在結晶態V2O5，但是迄今為止并沒有太多針對結晶態釩物種的研究，也并不清楚其在NH3-SCR反應中的作用。深入研究結晶態釩物種有助于更好地理解釩基催化劑，進一步指導高效釩基催化劑的開發。
近日，賀泓院士團隊(中國科學院城市環境研究所、生態環境研究中心)和李劍鋒團隊(廈門大學)在釩基催化劑應用于NH3-SCR研究方面取得重要進展。通過對TiO2載體進行高溫預處理然后再負載釩，可以在低釩負載量催化劑上形成結晶態V2O5。令人驚訝的是，含有大量結晶態V2O5的催化劑，比具有相同釩負載量但是釩物種表面分散的催化劑，顯示出更為優異的低溫NH3-SCR活性。通過原位拉曼表征手段研究了真實反應條件下釩基催化劑上釩物種的結構，發現在NH3吸附條件下，低釩催化劑上結晶態V2O5能夠擴散轉化為高活性低聚合態釩氧物種。DFT理論計算表明NH3在低聚合態釩物種和結晶態V2O5上的吸附能不同，因此NH3的存在促進了結晶態物種的轉變。低釩催化劑上結晶態V2O5在NH3-SCR反應中原位轉化為高活性反應物種，顯著提高了低溫催化性能。本研究的結論對理解釩基金屬氧化物催化劑的構效關系及高效NH3-SCR催化劑的設計開發和工業應用具有重要意義。
這一成果以Adsorption-Induced Active Vanadium Species Facilitate Excellent Performance in Low-Temperature Catalytic NOxAbatement近期發表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者是中國科學院城市環境研究所副研究員連志華。
該項研究得到了國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會等項目的支持。
(關鍵字：中科院 釩基催化劑)
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