通訊單位：德國卡爾斯魯厄理工學院

DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-020-00552-3

背景介紹

嚴格限制氮氧化物(NOx)的排放是減輕汽車尾氣汙染的主要手段。高效銅沸石催化劑（Cu-SSZ-13）是近年來用於氨氣選擇性催化還原NOx（NH3-SCR）的突出活性材料。大量的理論和實驗研究旨在從分子層面瞭解NH3-SCR在銅沸石催化劑上的作用機制。然而，NH3-SCR涉及不同的Cu形態和溫度依賴的反應路徑，進一步受到NH3吸附平衡以及低溫下的NH3抑制的影響。因此，應以空間分辨的方式在微觀至宏觀尺度上對NH3-SCR催化反應進行研究。X射線計算機斷層掃描可獲得高度空間分辨的化學資料。然而，執行原位X射線計算機斷層掃描至少需要微米級的三維機械精度、反應器的自由旋轉和不受阻礙的180度的X射線，維持反應的條件，同時測量催化活性。

本文亮點

1. 本文將原位X射線吸收光譜與微斷層掃描相結合，對氧化還原過程中銅在Cu-SSZ-13塗層催化劑中的化學狀態進行三維化學成像。

2. 在微米空間解析度下，透過NOx還原、NH3吸附-解吸和質量輸運現象的相互作用，揭示了銅氧化態和配位環境的梯度，同時測定了催化效能。

圖文解析

▲圖1. Cu-SSZ-13催化劑的操作光譜層析

要點：

作者利用microXAS光束得到原位光譜斷層掃描草圖和Cu-SSZ-13塗層催化劑的斷層掃描渲染結果。所得資料可以透過細分為橫斷面影象或切片提供樣品內部的3D檢視。例如，根據不同的吸收對比，很容易觀察到催化劑塗層材料和堇青石蜂窩材料之間的明顯區別。

▲圖2. Cu-SSZ-13塗層催化劑的化學梯度3D檢視

要點：

作者進行了SCR條件下1 mm石英毛細管內整塊樣品的層析重建，並獲得了在350 ℃下SCR反應中的催化劑正交切片。從圖中可見明顯的在原位SCR反應條件下的近似輻射狀的XANES強度梯度，這與Cu(Ⅰ)物種、塗層厚度及溫度相關。

▲圖3. 揭示Cu-SSZ-13型載體塗料中Cu的化學狀態

要點：

在同一樣品切片中，分別在200、300、350和400 °C進行標準化的Cu K-edge XANES光譜，從ROI 1-5顯示了在8983 eV處特徵的可見梯度。在相對較低的200 ℃下，Cu(Ⅰ)*NH3均勻地存在於整個塗層中，此時NH3的吸附速率大於反應速率。在高溫條件下，Cu(Ⅰ)再氧化為Cu(Ⅱ)是反應的決速步驟，此時Cu(Ⅱ)為優勢物種。

全文總結

本文使用原位X射線光譜層析成像技術和XANES技術得到了空間和能量分辨的三維影象，並使用XAS技術在微米尺度解析度下識別了Cu的化學狀態。這不僅證明了由催化劑洗脫層的質量傳輸限制造成的Cu氧化態和配位環境中化學梯度的存在，也證明了這種梯度作為溫度和洗脫層形狀或厚度的函式，有潛力作為直接和半定量地成像的依據。這使得觀察複雜多相催化體系中的構效關係成為可能。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00552-3