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Unveiling Secondary-Ion-Promoted Catalytic Properties of Cu-SSZ-13 Zeolites for Selective Catalytic Reduction of NOx

化学 催化作用 离子 X射线光电子能谱 选择性催化还原 密度泛函理论 结构精修 无机化学 结晶学 计算化学 晶体结构 化学工程 有机化学 工程类
作者
Mengyang Chen,Junyan Li,Wenjuan Xue,Sen Wang,Jinfeng Han,Yingzhen Wei,Donghai Mei,Yi Li,Jihong Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (28): 12816-12824 被引量:77
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03877
摘要

The incorporation of secondary metal ions into Cu-exchanged SSZ-13 zeolites could improve their catalytic properties in selective catalytic reduction of NOx with ammonia (NH3-SCR), but their essential roles remain unclear at the molecular level. Herein, a series of Cu-Sm-SSZ-13 zeolites have been prepared by ion-exchanging Sm ions followed by Cu ions, which exhibit superior NH3-SCR performance. The NO conversion of Cu-Sm-SSZ-13 is nearly 10% higher than that of conventional Cu-SSZ-13 (175-250 °C) after hydrothermal ageing, showing an enhanced low-temperature activity. The Sm ions are found to occupy the six-membered rings (6MRs) of SSZ-13 by X-ray diffraction Rietveld refinement and aberration-corrected scanning transmission electron microscopy. The Sm ions at 6MRs can facilitate the formation of more active [ZCu2+(OH)]+ ions at 8MRs, as revealed by temperature-programmed reduction of hydrogen. X-ray photoelectron spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations indicate that there exists electron transfer from Sm3+ to [ZCu2+(OH)]+ ions, which promotes the activity of [ZCu2+(OH)]+ ions by decreasing the activation energy of the formation of intermediates (NH4NO2 and H2NNO). Meanwhile, the electrostatic interaction between Sm3+ and [ZCu2+(OH)]+ results in a high-reaction energy barrier for transforming [ZCu2+(OH)]+ ions into inactive CuOx species, thus enhancing the stability of [ZCu2+(OH)]+ ions. The influence of the ion-exchanging sequence of Sm and Cu ions into SSZ-13 is further investigated by combining both experiments and theoretical calculations. This work provides a mechanistic insight of secondary ions in regulating the distribution, activity, and stability of Cu active sites, which is helpful for the design of high-performance Cu-SSZ-13 catalysts for the NH3-SCR reaction.
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