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内燃机碳中和与排放控制

摘要

氨燃料发动机燃烧过程及其DeNOx催化后处理过程，如氮氧化物存储还原（NSR）、负载贵金属型选择性催化还原（SCR）等，均会产生副产物氧化亚氮（N2O）。N2O不仅是污染物，也是强温室气体，过多的N2O排放会削弱NH3燃料的零碳燃料属性。抑制氨燃料发动机催化后处理过程的N2O生成依赖于对DeNOx催化剂上N2O生成机理的深刻理解。目前，鉴于氨燃料发动机催化后处理技术相关研究较少和表面催化反应的复杂性，DeNOx催化剂上的N2O生成机理尚不清晰。为阐明N2O在氨燃料发动机DeNOx催化剂上的生成机理，选取NSR和贵金属型SCR中典型的催化剂Pt为研究对象，基于第一性原理分子动力学（FPMD）探究氧化铝负载的Pt团簇局部微环境对N2O生成自由能垒的影响。首先建立γ-Al2O3负载的不同原子数Pt团簇的原子结构模型，然后结合蓝月集合（Blue-moon ensemble）增强采样方法和缓慢增长（Slow-growth approach）自由能变化算法更有效地探索N2O生成反应过程的自由能表面，最后通过高精度的密度泛函理论（DFT）计算分析反应体系电子结构。结果表明，N2O的生成能垒受NOx初始吸附构型和Pt团簇原子数影响，明确了通过调控Pt团簇催化剂局部微环境来中抑制NSR或贵金属型SCR中N2O生成的可能性；进一步发现N2O生成能垒随Pt团簇不同自旋对应的d带中心之差的增加而线性增加，最终揭示了导致N2O生成能垒不同的本质原因是NOx分子与表面Pt团簇之间的能级匹配程度不同。研究成果为理解氨燃料发动机DeNOx催化剂上的N2O生成提供了原子尺度的微观认识，有助于控制氨燃料发动机催化后处理过程中的N2O排放。

关键词

氨燃料发动机催化后处理;第一性原理分子动力学;表面催化;氧化亚氮;反应机理

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