Unraveling the mysterious failure of Cu/SAPO-34 selective catalytic reduction catalysts

催化作用 阳离子聚合 热液循环 选择性催化还原 铝酸盐 离子 电子顺磁共振 水解 化学 材料科学 化学工程 分子 无机化学 高分子化学 有机化学 核磁共振 冶金 工程类 水泥 物理
作者
Aiyong Wang,Ying Chen,Éric Walter,Nancy Washton,Donghai Mei,Tamás Varga,Yilin Wang,János Szanyi,Aiyong Wang,Charles H. F. Peden,Feng Gao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:10 (1) 被引量:118
标识
DOI:10.1038/s41467-019-09021-3
摘要

Abstract Commercial Cu/SAPO-34 selective catalytic reduction (SCR) catalysts have experienced unexpected and quite perplexing failure. Understanding the causes at an atomic level is vital for the synthesis of more robust Cu/SAPO-34 catalysts. Here we show, via application of model catalysts with homogeneously dispersed isolated Cu ions, that Cu transformations resulting from low-temperature hydrothermal aging and ambient temperature storage can be semi-quantitatively probed with 2-dimensional pulsed electron paramagnetic resonance. Coupled with kinetics, additional material characterizations and DFT simulations, we propose the following catalyst deactivation steps: (1) detachment of Cu(II) ions from cationic positions in the form of Cu(OH) 2 ; (2) irreversible hydrolysis of the SAPO-34 framework forming terminal Al species; and (3) interaction between Cu(OH) 2 and terminal Al species forming SCR inactive, Cu-aluminate like species. Especially significant is that these reactions are greatly facilitated by condensed water molecules under wet ambient conditions, causing low temperature failure of the commercial Cu/SAPO-34 catalysts.
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