引言

    21世紀(jì)以來，隨著我國工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，對化石燃料的需求量和消耗量也是與日俱增，致使環(huán)境污染和能量浪費(fèi)問題一直深受政府與眾多學(xué)者關(guān)注。而工業(yè)爐窯（水泥爐窯、燒結(jié)爐及燃煤鍋爐等）、冶金工業(yè)生產(chǎn)過程（高爐、轉(zhuǎn)爐及焦?fàn)t等）、機(jī)動(dòng)車尾氣排放等方式造成大量CO排放，在嚴(yán)重污染空氣環(huán)境的同時(shí)，也對人類健康產(chǎn)生威脅。因此，如何限制并有效消除CO，已成為工業(yè)節(jié)能減排工作面臨的重要研究課題之一。

    CO的催化燃燒方法作為一種新型有效的燃燒方式，具有起燃溫度低、燃料消耗少、能耗低及燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，備受廣大學(xué)者關(guān)注。應(yīng)用于CO燃燒反應(yīng)的催化劑主要分為貴金屬催化劑和過渡金屬氧化物催化劑2類。由于貴金屬儲(chǔ)量有限、制備使用成本高和熱穩(wěn)定性較差等原因，其工業(yè)應(yīng)用受到很大限制，致使過渡金屬氧化物催化劑成為主要研究熱點(diǎn)。其中CuO作為主催化劑，可為CO提供吸附位，促進(jìn)CO的吸附與轉(zhuǎn)化；CeO₂作為助催化劑，自身特有的螢石型結(jié)構(gòu)非常適合做載體，能夠有效促進(jìn)Cu物種在CeO₂表面上的分散程度，并且CeO₂可通過Ce⁴⁺/Ce³⁺之間的價(jià)態(tài)變換展現(xiàn)出優(yōu)良的儲(chǔ)放氧性能。故Cu-Ce催化劑以其高效的協(xié)同特性與活化性能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于CO催化燃燒的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。

    本文立足于Cu-Ce復(fù)合金屬氧化物催化劑上CO燃燒化學(xué)反應(yīng)，首先介紹了國內(nèi)外學(xué)者近期在Cu-Ce催化劑上CuO與CeO₂協(xié)同作用機(jī)制方面的研究成果，然后針對Cu-Ce系列催化劑上CO微觀反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類總結(jié)，并結(jié)合本課題組相關(guān)研究成果，進(jìn)一步闡明廣大學(xué)者對Cu-Ce催化劑上不同CO催化反應(yīng)機(jī)理的分歧與認(rèn)知；在此基礎(chǔ)上，以工業(yè)廢氣中CO濃度變化特性為切入點(diǎn)，由低濃度拓展到高濃度，介紹了本課題組所提出的CO自持催化燃燒技術(shù)，豐富了CO催化燃燒安全控制理論。最后文章展望了CO催化燃燒反應(yīng)研究未來的發(fā)展方向，為潔凈燃燒與污染物控制理論研究與節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用提供一定參考。

1 Cu-Ce催化劑構(gòu)效關(guān)系研究

    目前，針對Cu-Ce基催化劑的制備方法通常為溶膠凝膠法、浸漬法、水熱合成法、共沉淀法等。Avouropoulos等通過檸檬酸水熱合成法、共沉淀法、尿素-硝酸鹽燃燒法以及浸漬法分別制備了CuO-CeO₂催化劑，并研究其在CO選擇性催化氧化中的活性，結(jié)果表明，尿素-硝酸鹽燃燒法制備的CuO-CeO₂催化劑低溫活性最好，而共沉淀法與浸漬法制備的催化劑活性較差。這主要是由于前者促進(jìn)了CuO在CeO₂上的分散特性，加強(qiáng)了Cu_xO與CeO₂表面的強(qiáng)相互作用，對活性起到關(guān)鍵作用。Gao等通過水熱法可控合成不同形貌的CeO₂（棒狀、立方體與多面體），并通過浸漬法負(fù)載不同含量的CuO，深入闡明結(jié)構(gòu)形貌對Cu-Ce反應(yīng)界面上強(qiáng)相互作用的影響規(guī)律，結(jié)果表明，負(fù)載1%CuO時(shí)，CuO/r-CeO₂（棒狀）活性最好。

    Cu-Ce復(fù)合氧化物催化劑的構(gòu)效關(guān)系主要體現(xiàn)在化學(xué)價(jià)態(tài)變化、形貌結(jié)構(gòu)以及載體-活性組分等之間的相互作用等方面。在化學(xué)價(jià)態(tài)組成及變化方面，稀土元素鈰的外層電子結(jié)構(gòu)為4f¹5d¹6s²，在失電子后具有+3和+4兩種穩(wěn)定價(jià)態(tài)，容易通過Ce³⁺和Ce⁴⁺離子之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)氧的儲(chǔ)存和釋放，是較佳的儲(chǔ)氧體。金屬銅主要有+1和+2兩種價(jià)態(tài)，其特有的反π鍵軌道形式極易吸附和活化CO分子。Yao等研究了CuO/CeO₂催化劑上的CO氧化反應(yīng)，認(rèn)為Ce⁴⁺/Ce³⁺和Cu²⁺/Cu⁺電子對均參與催化循環(huán)（Cu⁺+Ce⁴⁺?Cu²⁺+Ce³⁺），CeO₂和CuO是活性氧的主要來源。Moreno等研究發(fā)現(xiàn)CuO/CeO₂催化劑中，活性位Cu⁺主要是為CO提供吸附位，而CO氧化反應(yīng)過程中所需的活性氧主要是CeO₂提供。但是，Yang等研究發(fā)現(xiàn)Ce_0.6Zr_0.4O₂催化劑上負(fù)載10%CuO時(shí)，活性氧濃度最大，催化劑活性最高，表明活性氧主要來源于CuO與鈰鋯固溶體之間的協(xié)同作用。

    納米CeO₂形貌可控合成技術(shù)的發(fā)展為研究金屬氧化物之間的協(xié)同效應(yīng)以及高性能催化劑的研發(fā)帶來新的契機(jī)。Wu等研究表明，CeO₂納米棒主要暴露{110}和{100}晶面，CeO₂納米立方體優(yōu)先暴露的是{100}晶面，而CeO₂八面體暴露的是穩(wěn)定的{111}晶面。因?yàn)閧110}晶面更容易產(chǎn)生氧空位，三種材料實(shí)現(xiàn)CO催化燃燒的活性順序依次為：納米棒>立方體>八面體。納米CeO₂若被用作CO催化燃燒的催化劑載體，一方面能夠?yàn)镃u金屬提供空間限制，抑制由CuO顆粒燒結(jié)導(dǎo)致的團(tuán)聚及二次長大現(xiàn)象，同時(shí)通過控制合成條件能夠精確調(diào)節(jié)Cu金屬摻雜量、分布以及尺寸等，能夠有效提高材料活性位的有效利用率；另一方面，由于納米CeO₂{111}、{110}和{100}等晶面處于不同的配位結(jié)構(gòu)和幾何對稱性，晶面調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用有助于考察CeO₂活性晶面暴露比例對催化活性的影響規(guī)律以及CeO₂和CuO界面之間協(xié)同效應(yīng)的差異性。

    在催化劑載體-活性組分相互作用方面，雖然現(xiàn)有研究表明CeO₂的表面氧與吸附態(tài)CO之間極易發(fā)生反應(yīng)，但是其自身活性遠(yuǎn)低于CuO等過渡金屬氧化物。CeO₂若被用作催化劑載體，不僅可以對Cu活性相起到高分散與穩(wěn)定作用，還可以提供反應(yīng)所需的活性氧物種（吸附氧與晶格氧）。顧慧劼等采用檸檬酸絡(luò)合-浸漬相結(jié)合的制備方法研究了CeO₂載體摻雜CuO（yCuO/Cu_xCe_1-xO_δ催化劑）對CO催化性能的影響。結(jié)果表明，載體中摻雜的CuO，會(huì)與CeO₂形成銅鈰固溶體，有利于促進(jìn)CuO在載體表面均勻分散，提高催化劑的低溫催化活性。Luo等認(rèn)為在CO氧化反應(yīng)過程中，CuO/CeO₂催化劑上的表面高度分散CuO活性最高，顆粒CuO活性次之，進(jìn)入CeO₂晶格中的Cu²⁺活性最低。Jia等通過正相CuO/CeO₂和反相CeO₂/CuO催化劑體系研究發(fā)現(xiàn)，活性物種和載體的顆粒大小直接影響CuO與CeO₂之間的接觸界面，同時(shí)具有相同接觸界面周長的CuO/CeO₂和CeO₂/CuO催化劑顯示出相同的反應(yīng)更新頻率（Turnoverfrequency，TOF），從而證明CO氧化的活性位處于CuO與CeO₂交界面處，產(chǎn)生界面效應(yīng)。近期Yan等制備CeO₂/Cu顆粒-納米穩(wěn)定晶面催化劑，并通過H₂還原方式發(fā)現(xiàn)分散狀態(tài)的納米CeO₂可穩(wěn)定結(jié)合在CuO顆粒表面，形成CeO₂-Cu反應(yīng)界面，如圖1所示。由此看來，通過CeO₂載體形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)控制來優(yōu)化CuO/CeO₂催化劑界面，提高載體-活性組分強(qiáng)相互作用，可以作為提高CO催化燃燒性能的有效手段。

2 Cu-Ce催化劑上催化反應(yīng)機(jī)理研究

    目前，CO催化燃燒反應(yīng)機(jī)理主要有Mars-vanKrevelen（M-K）機(jī)理與Langmuir-Hinshelwood（L-H）機(jī)理等。國內(nèi)外研究學(xué)者基于Cu-Ce催化劑體系，提出了一些合理的反應(yīng)過程假設(shè)，通過采用實(shí)驗(yàn)與相關(guān)原位表征技術(shù)相結(jié)合的方法，對CO催化燃燒反應(yīng)路徑進(jìn)行了較為深入地分析，并通過反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型加以佐證，以期明確詳實(shí)的CO微觀催化反應(yīng)機(jī)理。

2.1 M-K機(jī)理

    M-K機(jī)理可描述為CO吸附在催化劑表面活性位上，與催化劑中的活性晶格氧反應(yīng)，生成CO₂，活性晶格氧被消耗后會(huì)形成氧空位，此時(shí)氣相O₂會(huì)進(jìn)入氧空位中重新形成晶格氧，反復(fù)循環(huán)，保證CO催化氧化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。目前，多數(shù)研究學(xué)者認(rèn)為在Cu-Ce系列催化劑上，CO催化氧化反應(yīng)主要遵循M-K機(jī)理。

    賈愛萍針對CO低溫氧化反應(yīng)在CuO-CeO₂催化劑上進(jìn)行了較為系統(tǒng)的機(jī)理研究，以CuO/Ce_1-xCu_xO_2-δ和Ce_1-xCu_xO_2-δ催化劑為代表，通過多種表征方法及實(shí)驗(yàn)研究催化劑結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，結(jié)果表明，催化劑表面主要存在CuO和Ce_1-xCu_xO_2-δ固溶體這兩種活性位，其中CuO_x的主要作用是提供CO的吸附位(Cu⁺-CO)，而Ce_1-xCu_xO_2-δ固溶體主要是提供活化晶格氧，CuO與Ce_1-xCu_xO_2-δ之間存在的協(xié)同作用促進(jìn)反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，同時(shí)在CO低轉(zhuǎn)化率（<10%）下建立CuO/Ce_1-xCu_xO_2-δ反應(yīng)速率表達(dá)式為r_CO=1.42×10^-6P_CO^0.74P_O2⁰，反應(yīng)路徑同樣遵循M-K機(jī)理，反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。Sedmark等研究了Cu_0.1Ce_0.9O_2-y催化劑上CO加氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，通過建立典型的動(dòng)力學(xué)模型得到Cu_0.1Ce_0.9O_2-y催化劑上的CO催化燃燒主要遵循M-K機(jī)理，即Cu-Ce固溶體中的晶格氧與吸附在CuO上的CO反應(yīng)生產(chǎn)CO₂。近期，Liu等研究了Cu-Pt/CeO₂催化劑上CO低溫氧化反應(yīng)，通過X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）以及DFT量子化學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)Cu-O-Ce界面效應(yīng)促進(jìn)了Pt的原子級分散，加強(qiáng)了對CO的吸附作用，其中Pt_n/CeCu催化劑在30-40℃時(shí)，吸附的CO便可與晶格氧反應(yīng)生成CO₂，實(shí)現(xiàn)CO低溫高效轉(zhuǎn)化，反應(yīng)遵循M-K機(jī)理。

圖2 CuO/Ce_1-xCu_xO_2-δ催化劑上CO氧化反應(yīng)M-K機(jī)理

2.2L-H機(jī)理

    L-H機(jī)理主要是指吸附態(tài)CO與吸附態(tài)O₂在催化劑表面反應(yīng)生成CO₂，而晶格氧卻不參與反應(yīng)。目前在貴金屬催化劑上CO催化氧化反應(yīng)主要是L-H機(jī)理，但一些學(xué)者認(rèn)為Cu-Ce系列催化劑上的CO催化燃燒反應(yīng)同樣也遵循L-H機(jī)理。

    Caputo等在CuO/CeO₂催化劑上開展了CO催化加氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)反應(yīng)溫度低于110℃時(shí)，CO氧化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)小于1；而當(dāng)反應(yīng)溫度高于110℃時(shí)，CO氧化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)大于1，反應(yīng)遵循L-H機(jī)理。Liu等通過動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)及模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)CO催化燃燒過程中，CuO作為CO與O₂吸附活性位，在催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)，由此推斷出該反應(yīng)遵循L-H機(jī)理。Lee等認(rèn)為CuO/CeO₂催化劑上CO的催化燃燒主要遵循L-H機(jī)理，且主要有兩條反應(yīng)路徑：一方面，CuO作為主要活性位會(huì)同時(shí)吸附CO、O₂，進(jìn)而生成CO₂；另一方面，CO吸附在CuO上，而O₂吸附在CeO₂上，在CuO和CeO₂界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)路徑如圖3所示。

圖3 CuO-CeO₂催化劑上CO氧化L-H反應(yīng)機(jī)理

    由此可見，針對Cu-Ce系列催化劑上，不同學(xué)者在催化劑制備、實(shí)驗(yàn)條件與方法選取和表征技術(shù)的運(yùn)用方面不盡相同，導(dǎo)致CO催化燃燒反應(yīng)機(jī)理仍然存在一定差異。

2.3 M-K機(jī)理與L-H機(jī)理

    近年來，隨著先進(jìn)原位表征技術(shù)的發(fā)展，對CO催化燃燒反應(yīng)機(jī)理的研究越來越趨于完善。李娜等研究了不同載體負(fù)載CuO系列催化劑上的反應(yīng)機(jī)理，在得出CuO/CeO₂催化劑上的CO氧化反應(yīng)遵循M-K機(jī)理的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)CuO/SiO₂、CuO/TiO₂催化劑上反應(yīng)遵循L-H機(jī)理，氧物種分別吸附在SiO₂、TiO₂上，與吸附在CuO上的CO反應(yīng)。Zheng等通過原位紅外技術(shù)（In situ DRIFT）更為深入地研究了CeO₂-ZrO₂催化劑上CO氧化的兩條反應(yīng)路徑：一是CeO₂提供CO與O₂的吸附活性位，形成碳酸氫鹽、單齒碳酸鹽和雙齒碳酸鹽，使CO與O₂進(jìn)行反應(yīng)，遵循L-H機(jī)理；二是吸附在CeO₂上的CO與鈰鋯固溶體中的晶格氧結(jié)合生成橋式碳酸鹽，進(jìn)而反應(yīng)生成CO₂，反應(yīng)遵循M-K機(jī)理。

    上述CO催化氧化反應(yīng)機(jī)理的研究是低CO（0.1-3%）濃度條件下開展的，主要涉及汽車尾氣排放、CO優(yōu)先氧化等領(lǐng)域。本課題組從冶金工業(yè)中轉(zhuǎn)爐放散煤氣含有的高濃度CO為切入點(diǎn)，通過制備CuO-CeO₂系列催化劑，提出CO自持催化燃燒技術(shù)。在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐放散煤氣（CO≤35%、O₂≥2%及CO₂≤40%）占整個(gè)吹煉期轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生量的20%-30%，目前傳統(tǒng)的甲烷燃?xì)庵比寂欧欧绞皆斐闪藝?yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，形勢尤為嚴(yán)峻。CO自持催化燃燒方法能夠?qū)崿F(xiàn)CO的低溫高效轉(zhuǎn)化，燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量一部分用于維持自身氧化反應(yīng)，剩余部分有望用于熱交換、制熱或發(fā)電。該方法若作為潔凈燃燒與余能回收工藝在煉鋼生產(chǎn)中加以應(yīng)用，不僅能夠提高轉(zhuǎn)爐煤氣化學(xué)熱的回收利用率，還可以減少燃?xì)庖挤派⒚簹鈳淼沫h(huán)境污染與能量浪費(fèi)問題。轉(zhuǎn)爐放散煤氣中CO自持催化燃燒技術(shù)典型的活性曲線如圖4所示：高濃度CO/O₂混合氣體在Cu-Ce/ZSM-5催化劑顆粒表面發(fā)生氧化反應(yīng)并形成局部高溫區(qū)；高溫區(qū)隨即迅速擴(kuò)大至相鄰的反應(yīng)活性位，引起熱化學(xué)飛溫，在氣固相界面轉(zhuǎn)變?yōu)閯×业淖猿秩紵隣顟B(tài)。在程序升溫條件下，高濃度CO催化燃燒過程主要分為三個(gè)階段。以圖4中Cu/ZSM-5催化劑（藍(lán)色實(shí)線）為例，第一階段（CO轉(zhuǎn)化率≤10%）主要是CO在催化劑表面的低溫引燃，此時(shí)消耗的反應(yīng)物可以很快通過內(nèi)擴(kuò)散方式進(jìn)行補(bǔ)充，反應(yīng)速率主要受本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。CO轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的升高進(jìn)一步增大，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量大于釋放的熱量，熱量累積促使溫度和反應(yīng)速率隨之繼續(xù)增加，即進(jìn)入反應(yīng)第二階段。第二階段為瞬態(tài)起燃階段（通常以CO轉(zhuǎn)化率到達(dá)50%時(shí)的熱點(diǎn)溫度定義為起燃溫度），高濃度CO在催化燃燒過程中，CO強(qiáng)放熱使溫度快速升高，形成催化劑床層局部飛溫，進(jìn)而導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化率快速升高。此時(shí)反應(yīng)所消耗的CO/O₂不能完全通過內(nèi)擴(kuò)散形式補(bǔ)充，反應(yīng)速率主要受動(dòng)力學(xué)和外擴(kuò)散控制。在很短時(shí)間內(nèi)，CO轉(zhuǎn)化率便達(dá)到近100%，即進(jìn)入第三階段（自持燃燒階段），此時(shí)反應(yīng)速率基本保持不變，溫度升高對其影響不大，主要取決于CO和O₂向催化劑表面的擴(kuò)散速率，反應(yīng)速率主要由氣體外擴(kuò)散控制。同時(shí)，由于較高濃度CO燃燒放熱較多，即使在不保溫隔熱的情況下，也可以達(dá)到換熱平衡，繼續(xù)維持自持燃燒狀態(tài)，即可以只依靠反應(yīng)本身放出的熱量維持催化燃燒狀態(tài)，不需要外界額外提供熱量。

圖4 CO自持催化燃燒曲線

對眾多學(xué)者在Cu-Ce系列催化劑上CO催化氧化反應(yīng)的研究成果進(jìn)行了匯總，見表1。同時(shí)將課題組的CuO/Ce_0.75Zr_0.25O_2-δ系列催化劑進(jìn)行了對比分析，此類催化劑低溫反應(yīng)性能較為優(yōu)異。

表1 Cu-Ce系列催化劑上CO催化氧化活性結(jié)果

同時(shí)通過X射線光電子能譜（XPS）及In situ DRIFT等方法證明Cu-Ce/ZSM-5催化劑CO催化燃燒也存在兩條反應(yīng)路徑：（1）由于Cu²⁺離子最外層d軌道電子接近完全充滿狀態(tài)，與Ce離子相比，CO分子更容易以反π鍵軌道形式吸附于Cu²⁺位，經(jīng)過還原形成Cu⁺-CO。而O₂分子可以接受Ce原子4f軌道上的局域電子并被活化，優(yōu)先吸附在Ce位上。Cu⁺-CO物種與CeO₂提供的活性氧反應(yīng)生成CO₂；（2）CO吸附于CeO₂表面形成單齒碳酸鹽和雙齒碳酸鹽，所生成的碳酸鹽與活性氧反應(yīng)生成CO₂。接著在CuCe_0.75Zr_0.25O_y催化劑上，采用In situ DRIFT實(shí)驗(yàn)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合的方法，同樣得出2條反應(yīng)路徑：CO催化燃燒機(jī)理主要以M-K反應(yīng)機(jī)理為主，即CO吸附在Cu⁺形成Cu⁺-CO，與催化劑中的晶格氧反應(yīng)；其次為L-H機(jī)理，吸附的CO與吸附在CeO₂表面的優(yōu)先生成中間物種碳酸鹽，再進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)路徑如圖5所示。

圖5 CO催化燃燒反應(yīng)路徑

    接著，在CuCe/ZSM-5負(fù)載型催化劑的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研發(fā)低溫高效、高熱穩(wěn)定性催化劑，采用溶膠凝膠法制得CuCe_0.75Zr_0.25O_y復(fù)合氧化物催化劑。并在CuCe_0.75Zr_0.25O_y催化劑上獲得了CO自持催化燃燒臨界條件為3%CO+3%O₂/N₂，爐溫為115℃，并通過紅外熱像儀測定了催化劑床層表面溫度場。針對目前CO催化反應(yīng)機(jī)理主要集中在定性分析方面，本課題組正在進(jìn)行CO催化燃燒的定性定量分析方面的研究，并在Cu-Ce-Zr系列催化劑上開展CO程序升溫表面反應(yīng)（TPSR-GC）實(shí)驗(yàn)，通過化學(xué)吸附儀耦合在線色譜儀初步檢測出CuCe_0.75Zr_0.25O_δ催化劑上CO的總脫附量為286.7umol/gcat，其中主要是以CO₂形式進(jìn)行脫附，脫附量為280.9umol/gcat，以CO形式脫附的脫附量僅為5.8umol/gcat，針對CO催化燃燒反應(yīng)過程的定量化描述工作還在進(jìn)一步研究中。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過蜂窩陶瓷（HC）載體涂覆法制得CuCe_0.75Zr_0.25O_y/HC催化劑，詳細(xì)探究了不同反應(yīng)氣濃度（CO、O₂、CO₂）對CO自持燃燒的影響規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)CO反應(yīng)機(jī)理仍是以M-K機(jī)理為主，為催化劑工業(yè)放大設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

3 CO催化燃燒反應(yīng)研究未來發(fā)展方向

    目前針對CO催化燃燒反應(yīng)機(jī)理的研究主要集中在Cu-Ce復(fù)合氧化物催化劑的結(jié)構(gòu)-性能間作用、表界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)及CO與O₂反應(yīng)吸附位的定性分析上，并且取得了很多的成果。未來還需要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：

    1）Cu-Ce催化劑的載體-活性組分強(qiáng)相互作用。采用先進(jìn)制備方法，如原子沉積法、3D打印法等合成載體形貌可控、活性位點(diǎn)精準(zhǔn)錨定的精細(xì)催化劑，如單原子催化劑、分子催化劑及特定尺寸的團(tuán)簇催化劑等。采用先進(jìn)的原位表征技術(shù)（如原位X射線光電子能譜（in situ XPS）、近層掃描隧道顯微鏡（NAP-STM）、原位X射線吸收光譜（XAS）、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（EXAFS）等）深入研究載體與活性位點(diǎn)的微觀相互作用形式，設(shè)計(jì)優(yōu)化低溫高效Cu-Ce催化劑的合成策略，有助于在納米尺度水平上理解真實(shí)多相反應(yīng)條件下催化劑結(jié)構(gòu)、活性相形貌變化以及金屬氧化物之間的協(xié)同效應(yīng)對催化活性的影響機(jī)制。

    2）CO催化燃燒機(jī)理由定性分析向定量分析拓展。在氣固多相催化反應(yīng)過程中，應(yīng)充分考慮反應(yīng)物在催化劑表面吸附-反應(yīng)-脫附歷程，采用原位紅外實(shí)驗(yàn)、高真空吸附-在線程序升溫手段等定量化測定方法，通過考察反應(yīng)物、中間物種在活性中心上的吸附量對反應(yīng)路徑的影響規(guī)律，明確對CO、O₂在催化劑表面的覆蓋度、催化劑活性位與吸附中間物種對CO催化燃燒反應(yīng)貢獻(xiàn)度的定性定量分析的機(jī)理研究。同時(shí)，基于量子化學(xué)理論，借助VASP、MS等模擬計(jì)算軟件，在金屬氧化物-載體作用模型上計(jì)算表面吸附能、搜索反應(yīng)過渡態(tài)等關(guān)鍵信息，為反應(yīng)機(jī)理提供確切的理論指導(dǎo)。

    3）CO由低濃度催化氧化向高濃度催化燃燒反應(yīng)過程的過渡。CO在工業(yè)、交通業(yè)及生活中的排放濃度不盡相同（幾百ppm至30%），導(dǎo)致催化燃燒過程有所不同。目前針對低濃度CO方面，在CO優(yōu)先氧化、汽車尾氣凈化等領(lǐng)域一直是研究熱點(diǎn)，通過在Cu-Ce基催化劑中添加少量貴金屬，可以很好地實(shí)現(xiàn)低溫CO氧化，取得了很好的研究成果與應(yīng)用價(jià)值。鑒于目前CO催化燃燒的微觀反應(yīng)機(jī)理研究局限于本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)階段，現(xiàn)有研究成果尚能對低溫條件下的CO催化燃燒現(xiàn)象作出詮釋。但是，CO催化燃燒處于不同的溫度段，反應(yīng)過程與機(jī)理可能不同，課題組最近研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CO自持催化燃燒實(shí)質(zhì)為反應(yīng)放出的熱量在催化劑床層的局部區(qū)域大量累積，放熱量遠(yuǎn)大于散熱量，使得該部分床層表面出現(xiàn)瞬態(tài)熱化學(xué)飛溫直至達(dá)到CO完全轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，并以反應(yīng)物覆蓋度隨溫度變化為依據(jù)，初步建立了飛溫動(dòng)力學(xué)模型，而在反應(yīng)參數(shù)敏感性飛溫判據(jù)方面仍需完善，由此引起多種反應(yīng)途徑共存，需進(jìn)一步探討。

    4）研發(fā)低成本、規(guī)?；蜏馗咝Т呋瘎┖铣杉夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。目前SCR催化劑在脫硫脫硝方面實(shí)現(xiàn)了較好的工業(yè)應(yīng)用，但是長時(shí)間高抗硫抗水性能要求對SCR催化劑仍然是個(gè)困擾。在CO催化燃燒方面，也應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研間的結(jié)合，讓催化劑從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用中去，長時(shí)間切實(shí)考察復(fù)雜煙氣環(huán)境下催化劑的各項(xiàng)性能，針對性地改進(jìn)、優(yōu)化催化劑合成策略。

4結(jié)語

    工業(yè)爐窯、冶金工業(yè)生產(chǎn)過程以及機(jī)動(dòng)車尾氣排放等方式造成大量CO排放，催化燃燒技術(shù)是有效限制并消除CO的主要技術(shù)之一，對推動(dòng)我國節(jié)能減排工作進(jìn)程具有重要意義。

目前Cu-Ce復(fù)合氧化物催化劑以其低溫高效、壽命長以及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)成為應(yīng)用于CO催化燃燒的主流催化劑之一。制備形貌可控、原子利用率高的低溫高效催化劑，在明確Cu-Ce催化劑構(gòu)效關(guān)系與載體-活性組分強(qiáng)相互作用的基礎(chǔ)上，深入研究CO催化燃燒微觀反應(yīng)機(jī)理（M-K、L-H機(jī)理），構(gòu)建反應(yīng)過程的定性定量描述是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)機(jī)理精準(zhǔn)確定的關(guān)鍵。建立低濃度CO向高濃度CO催化燃燒反應(yīng)過程的拓展機(jī)制，構(gòu)建本征反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與飛溫動(dòng)力學(xué)模型下的CO催化燃燒全過程分析方法。在未來形成一套完善的納米可控Cu-Ce催化劑上寬CO濃度反應(yīng)機(jī)理的原位定性定量分析方法，并從模型的角度揭示CO自持催化燃燒過程中“起燃”、“自持”和“熄火”本質(zhì)，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，建立完善的CO催化燃燒安全控制理論，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)向工業(yè)示范應(yīng)用的過渡，促進(jìn)節(jié)能減排事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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