2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——柴油機(jī)尾氣催化凈化技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題（每題5分，共20分）1.請簡述柴油機(jī)尾氣中氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）的主要生成機(jī)理。2.解釋選擇性催化還原（SCR）技術(shù)中，尿素水解產(chǎn)生氨氣的化學(xué)方程式，并簡述氨氣在SCR反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為氮氣的兩個主要反應(yīng)路徑。3.比較壁流式顆粒捕集器（GPF）與傳統(tǒng)的微粒濾清器（DPF）在結(jié)構(gòu)和工作原理上的主要區(qū)別。4.SCR催化劑在低溫（如低于300°C）工作時通?；钚暂^低，請分析導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。二、論述題（每題10分，共30分）5.詳細(xì)論述尿素選擇性催化還原（SCR）技術(shù)應(yīng)用于柴油車尾氣凈化的主要優(yōu)點和面臨的主要挑戰(zhàn)。6.闡述氧化催化器（DOC）在柴油車尾氣處理系統(tǒng)中的作用及其與顆粒物捕集器（GPF）協(xié)同工作的原理。7.結(jié)合能源化學(xué)領(lǐng)域的知識，探討未來柴油機(jī)尾氣多污染物（NOx、PM、SOx等）協(xié)同凈化技術(shù)可能的發(fā)展方向。三、分析題（每題15分，共30分）8.假設(shè)某款柴油車配備了SCR+GPF的尾氣凈化系統(tǒng)。請分析在車輛冷啟動后，尤其是在低負(fù)荷、低溫（如200°C-300°C）工況下，該系統(tǒng)是如何協(xié)同工作的？并討論在此過程中可能出現(xiàn)的性能瓶頸或問題。9.某研究團(tuán)隊開發(fā)了一種新型SCR催化劑，其關(guān)鍵活性組分是Cu基催化劑。請分析在評價該催化劑性能時，通常會涉及哪些重要的評價方法和表征技術(shù)？并說明選擇這些方法/技術(shù)的理由。試卷答案一、簡答題（每題5分，共20分）1.答案：氮氧化物（NOx）主要是在高溫富氧環(huán)境下，空氣中的氮氣和氧氣發(fā)生熱力反應(yīng)生成的（2N2+O2→2NO）。顆粒物（PM）主要來源于燃燒過程中未燃碳?xì)浠衔铮℉C）的凝聚、燃料和潤滑油的碳質(zhì)顆粒的未燃部分，以及硫酸鹽等二次顆粒物的生成。解析思路：考察對NOx和PM基本生成路徑的理解。NOx的生成強(qiáng)調(diào)高溫富氧條件下的熱力反應(yīng)。PM的生成來源多樣，包括一次顆粒物（碳煙、油煙）和二次顆粒物（硫酸鹽等），需全面列舉。2.答案：尿素水解：CO(NH?)?+H?O→CO?+2NH?。氨氣在SCR反應(yīng)中的主要路徑：NH?+NO→N?O+H?O(快速反應(yīng))；4NH?+4NO+O?→4N?+6H?O(低溫主反應(yīng))。解析思路：考察SCR反應(yīng)物轉(zhuǎn)化和核心反應(yīng)方程式的掌握。首先必須寫出尿素水解生成氨的方程式。然后要區(qū)分SCR反應(yīng)的快速反應(yīng)和低溫主反應(yīng)，并能正確書寫方程式。3.答案：GPF通常采用堇青石等陶瓷材料制成的中心通道和薄壁通道結(jié)構(gòu)，依靠陶瓷壁面吸附和捕集顆粒，依靠中心通道高速氣流實現(xiàn)顆粒再生燒蝕。DPF通常采用多孔陶瓷或金屬濾芯結(jié)構(gòu)，依靠慣性、擴(kuò)散和截留機(jī)制捕集顆粒，再生通常需要主動吹掃（如壓縮空氣）或被動（如高負(fù)荷運行）方式。解析思路：考察對兩種核心后處理裝置結(jié)構(gòu)和工作原理的對比理解。需明確指出兩者在載體材料、通道結(jié)構(gòu)設(shè)計以及再生方式上的關(guān)鍵差異，并解釋這些差異如何影響其功能。4.答案：主要原因包括：SCR反應(yīng)對溫度較為敏感，通常在300-400°C左右活性最高；低溫下尿素難水解或水解產(chǎn)生的氨濃度低；催化劑表面積累的水分可能覆蓋活性位點；部分催化劑的活性組分在低溫下難以充分分散或處于低活性狀態(tài)。解析思路：考察對SCR技術(shù)低溫限性的原因分析能力。需要從反應(yīng)動力學(xué)（溫度依賴性）、化學(xué)過程（尿素水解、氨濃度）、物理過程（水分覆蓋）以及催化劑本身特性等多個維度進(jìn)行分析。二、論述題（每題10分，共30分）5.答案：SCR技術(shù)的優(yōu)點：轉(zhuǎn)化效率高（可達(dá)90%以上），可大幅降低NOx排放，適應(yīng)寬溫度范圍（通常200-500°C），反應(yīng)條件相對溫和，相比SNCR對NOx轉(zhuǎn)化更徹底。面臨的挑戰(zhàn)：尿素噴射系統(tǒng)的復(fù)雜性和精確控制要求高，存在尿素分解風(fēng)險和腐蝕問題，氨逃逸控制要求嚴(yán)格（可能形成白煙并影響視距），系統(tǒng)成本較高，低溫（<200°C）轉(zhuǎn)化效率低，對SO?氧化為SO?有促進(jìn)作用（可能增加NOx）。解析思路：考察對SCR技術(shù)優(yōu)缺點的全面認(rèn)識。優(yōu)點方面需突出其高效、寬溫域等核心優(yōu)勢。缺點方面需涵蓋系統(tǒng)復(fù)雜性、運行風(fēng)險（氨逃逸、腐蝕）、成本以及與其他污染物（SO?）的相互作用等多個實際應(yīng)用中的問題。6.答案：DOC的作用是利用催化劑（通常含鉑、鈀、銠）在較低溫度下（通常200-300°C）高效氧化CO、HC和部分顆粒物中的可揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs），將其轉(zhuǎn)化為CO?、H?O和NO?。NO?在后續(xù)DPF再生過程中作為“助燃劑”，可以降低GPF所需的再生溫度，提高DPF的再生效率和壽命。兩者協(xié)同可以提高整個尾氣處理系統(tǒng)的效率和性能，尤其是在低負(fù)荷、低溫工況下。解析思路：考察DOC的功能及其與GPF協(xié)同工作的原理。首先要明確DOC的作用是低溫度氧化CO、HC、VOCs，并會生成NO?。其次要解釋這個NO?如何被GPF利用，即作為助燃劑降低再生溫度，從而點明協(xié)同效應(yīng)。7.答案：未來發(fā)展方向可能包括：開發(fā)更高效、更低溫、更穩(wěn)定的多功能催化劑，能夠同時或選擇性地催化多種污染物的轉(zhuǎn)化；研究多污染物協(xié)同控制技術(shù)，如SCR與GPF的深度集成與智能控制，或開發(fā)同時去除NOx、PM、SO?甚至VOCs的催化劑體系；利用納米材料、金屬有機(jī)框架（MOFs）等新材料提升催化劑性能；發(fā)展基于人工智能的尾氣排放預(yù)測與控制系統(tǒng)，優(yōu)化催化器工作狀態(tài)；探索非尿素SCR技術(shù)（如氨分解法）以解決尿素相關(guān)的問題；研究生物燃料、氫燃料等替代燃料對尾氣成分和凈化技術(shù)的影響。解析思路：考察對多污染物協(xié)同凈化技術(shù)發(fā)展趨勢的思考和預(yù)測能力。應(yīng)結(jié)合當(dāng)前技術(shù)瓶頸（如低溫效率、成本、SOx影響）和材料科學(xué)、人工智能等新興領(lǐng)域的發(fā)展，提出具有前瞻性的解決方案和研究方向。三、分析題（每題15分，共30分）8.答案：冷啟動初期，發(fā)動機(jī)工況較低，排氣溫度通常低于DOC的起燃溫度（約200-300°C），此時DOC基本不工作或僅少量氧化CO/HC。GPF在低溫下（尤其低于300°C）對PM的捕集效率會顯著下降，因為PM在低溫下難以在壁面發(fā)生二次氧化而再生燃燒。因此，冷啟動后一段時間內(nèi)，尾氣中NOx和PM的排放會比較高。隨著車輛行駛，發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，排氣溫度升高。當(dāng)溫度達(dá)到DOC起燃溫度后，DOC開始工作，氧化HC/CO，并生成部分NO?。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高（通常>350-400°C）且GPF達(dá)到其工作溫度窗口時，GPF開始高效捕集PM，同時DOC產(chǎn)生的NO?作為助燃劑，與SCR催化劑共同作用，高效轉(zhuǎn)化NOx。SCR系統(tǒng)在溫度適宜時（通常>300-400°C）開始發(fā)揮主要作用，進(jìn)一步降低NOx排放。協(xié)同工作的關(guān)鍵在于DOC和GPF在不同溫度區(qū)間發(fā)揮各自優(yōu)勢，并利用DOC產(chǎn)生的NO?輔助GPF和SCR系統(tǒng)的工作。挑戰(zhàn)在于低溫時兩者的效率都較低，導(dǎo)致總排放量控制不佳；DOC和GPF的最佳工作溫度窗口可能不完全匹配；以及系統(tǒng)整體成本和復(fù)雜性。解析思路：考察對SCR+GPF系統(tǒng)在不同工況（特別是冷啟動后）協(xié)同工作過程的理解和分析能力。需要按時間順序或溫度區(qū)間，分階段描述DOC和GPF的作用狀態(tài)及其對NOx和PM轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)。要明確指出低溫下的性能瓶頸，并討論系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。9.答案：評價SCR催化劑性能時，通常涉及以下方法和表征技術(shù)：*活性評價：在模擬或真實排氣條件下，測量不同溫度下催化劑對NOx的轉(zhuǎn)化率。這是最核心的評價指標(biāo)。*選擇性評價：測量反應(yīng)后氣體中氨逃逸（NH?）的濃度，評估催化劑對氨的固定能力，以及評價其對N?O等副產(chǎn)物的生成量。*穩(wěn)定性評價：在連續(xù)運行或多次循環(huán)測試后，考察催化劑活性和選擇性的變化情況，評估其耐久性和抗中毒能力。*表征技術(shù)：*BET/N?吸附：測定比表面積、孔徑分布和孔體積，了解催化劑的物理結(jié)構(gòu)。*X射線衍射（XRD）：分析催化劑的物相組成和晶相結(jié)構(gòu)，確認(rèn)活性組分和載體的存在形式。*掃描/透射電子顯微鏡（SEM/TEM）：觀察催化劑的形貌、微觀結(jié)構(gòu)、顆粒大小和分散情況。*X射線光電子能譜（XPS）：分析催化劑表面元素組成、化學(xué)態(tài)（價態(tài)），判斷活性位點的存在和性質(zhì)。*程序升溫還原（H?-TPR）：測定催化劑上活性組分（如CuO）的還原溫度，判斷其還原行為和活性位點的可及性。*程序升溫脫附（H?-TPD）：測定催化劑上吸附態(tài)氫（或水）的脫附溫度，用于研究載體（如沸石）的酸性位點及其強(qiáng)度，這對SCR反應(yīng)有重要影響。選擇理由：這些方法和表征技術(shù)能夠從物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面性質(zhì)、活性位點等多個維度，全面深入地揭示催化劑的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，為催化劑的設(shè)計、優(yōu)化和性能預(yù)測提供關(guān)鍵依據(jù)。例如，BET用于評估載體提供的活性位點數(shù)量；XRD和SEM/TEM用于確認(rèn)活性組分的存在形式和分散狀態(tài)；XPS和H?-TPR用于識別和表征關(guān)鍵的活性位點（如Cu物種）；H