我校化工学院朱君江团队揭示Ce基SCR反应的关键决速环节

近日，武汉纺织大学化学与化工学院朱君江教授团队，联合瑞士保罗谢勒研究所（PSI）等单位，在NH₃选择性催化还原NO（NH₃-SCR NO）反应机理研究方面取得新进展，揭示了Ce基催化剂上NH₃-SCR NO 反应的关键决速步骤。相关成果以“The Role of Ce³⁺/Ce⁴⁺ Redox over Ce/TiO₂ for the Selective Catalytic Reduction of NO with NH₃”为题发表于ACS Catalysis。武汉纺织大学为第一署名单位，团队青年教师阳杰博士为论文第一作者，朱君江教授和Davide Ferri博士为论文通讯作者。

在NH₃–SCR NO反应中，关于“催化反应的决速步骤”长期存在争议。围绕这一关键科学问题，研究团队构建了高度分散的Ce/TiO₂催化剂体系，并结合瞬态反应、在线质谱及operando DR-vis光谱等手段，从动态角度解析了反应过程中Ce价态与反应速率之间的内在关联。

图1 operando DR-vis 揭示Ce³⁺/Ce⁴⁺在反应过程中的可逆动态转化

operando DR-vis结果显示（图1），NH₃ + NO条件下，Ce⁴⁺被还原为Ce³⁺，引入O₂后，Ce³⁺迅速被氧化为Ce⁴⁺，形成可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺循环。虽然在无O₂条件下， NH₃与NO仍可发生反应生成N₂，但由于Ce³⁺无法被氧化，反应速率迅速衰减，说明催化循环受到限制。在O₂与NH₃ + NO交替切换过程中，观察到显著的N₂“喷发”现象（N₂ eruption）。该现象源于初始阶段表面Ce⁴⁺含量较高，反应短时间内不受Ce³⁺再氧化限制，因而表现出较高的反应速率。这一关键证据表明，限制反应持续进行的并非NO与NH₃的反应步骤，而是Ce³⁺向Ce⁴⁺的再氧化过程。

综合多种原位与瞬态实验结果，研究团队提出：在Ce/TiO₂催化体系中，NH₃–SCR NO反应遵循Eley–Rideal路径，而Ce³⁺向Ce⁴⁺的再氧化过程是控制反应速率的关键步骤。O₂在反应中的核心作用并非直接参与反应，而是促进Ce³⁺再氧化，维持Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环，从而保障催化反应的持续进行。该研究从动态与原位角度澄清了Ce基SCR催化剂中存在争议的决速步问题，为理解氧化还原循环在脱硝反应中的本质作用提供了直接证据，也为高效低温脱硝催化剂的设计提供了重要理论依据。

文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c09137