1. 背景

氨（NH3）因不含碳、能量密度较高且便于储运，被视为低碳能源体系中的潜在燃料，但其直接燃烧面临点火温度高、火焰传播不稳定和NOx排放等问题。催化燃烧能够在较低温度下实现NH3稳定转化，并有望抑制NOx生成，是清洁利用高浓度氨燃料的重要路径。传统马弗炉煅烧制备的过渡金属氧化物催化剂常因升温慢、热处理时间长而导致活性组分团聚、金属-载体相互作用弱，限制了低温活性和选择性。因此，如何通过快速热处理构筑高分散Cu/Ce界面、增强氧空位与酸性位协同，是高性能NH3燃烧催化剂设计核心问题。

2. 论文概要

本文中，中科院力学研究所宾峰团队采用快速焦耳热方法制备CuCe/SAPO-34催化剂（CuCe/S-J），并与传统马弗炉煅烧样品（CuCe/S-M）进行对比。具体而言，浸渍后的前驱体在焦耳热反应器中以60 ℃ s-1由30 ℃快速升至600 ℃并保持5 min，而对照样品在马弗炉中以30 ℃ min-1升温至600 ℃并煅烧2 h。CuCe/S-J在10% NH3 + 15% O2/Ar条件下表现出显著更高的低温NH3燃烧活性，T90为330 ℃，较CuCe/S-M的396 ℃降低66 ℃；其Cu分散度达到83.5%，高于CuCe/S-M的68.5%，并形成更多Cu2+、Ce3+-OV和Cu2++Ce3+-OV界面位点。H2-TPR、NH3-TPD-MS、准原位XPS、原位IR和18O2瞬态交换实验表明，快速焦耳热增强了Cu-Ce-SAPO相互作用、红氧循环、NH3吸附活化和晶格氧迁移，使CuCe/S-J主要遵循Mars-van Krevelen机制，将HNO、NH4+和NHx中间体高效转化为N2和H2O。

3. 图文解读

图1展示了CuCe/SAPO-34的两种制备路径及结构差异。快速焦耳热路线在短时间内完成600 ℃处理，使Cu和Ce物种快速锚定于SAPO-34表面；XRD证明CuO和CeO2成功负载，H2-TPR-N2O定量显示CuCe/S-J的Cu分散度达83.5%，高于CuCe/S-M的68.5%。原位ESEM/EDS进一步显示，焦耳热抑制活性物种团聚，而马弗炉处理更易形成较大颗粒。图2直接体现快速焦耳热带来的催化优势。CuCe/S-J达到90% NH3转化所需温度T90为330 ℃，比CuCe/S-M低66 ℃，同时在较低温区获得更高N2产率；Arrhenius分析显示CuCe/S-J表观活化能为180 kJ mol-1，低于CuCe/S-M的202 kJ mol-1。在400 ℃下连续20 h测试中，CuCe/S-J保持近乎完全NH3转化和约92.0% N2产率，且使用前后T90几乎不变。图3揭示CuCe/S-J的高活性界面来源。XPS显示CuCe/S-J的Cu2+/Cu比例为0.76，高于CuCe/S-M的0.58；Ce3+/Ce比例为0.27，高于CuCe/S-M的0.18，说明焦耳热促进Ce4+部分还原并生成更多氧空位。EPR进一步确认CuCe/S-J氧空位信号更强；XAFS和WT-EXAFS表明，CuCe/S-J中Cu-O配位更强、Cu-Cu贡献更弱，说明Cu物种更高分散，并主要以孤立Cu2+或Cu-OH+形式存在于分子筛框架上。图4从可还原性、酸性和产物演化角度解释活性提升。H2-TPR中CuCe/S-J的Cu2+相关还原峰由311 ℃降至296 ℃，孤立Cu2+还原峰由374 ℃降至344 ℃，说明其更易参与红氧循环。NH3-TPD-MS显示CuCe/S-J的NH3吸附容量为5.53 mmol g-1，高于CuCe/S-M的3.13 mmol g-1；N2和H2O释放峰向低温移动，表明NH3在CuCe/S-J上更易吸附、活化和转化。图5采用准原位XPS追踪反应气氛下Cu和Ce价态演化。随着温度由250 ℃升至350 ℃，CuCe/S-J始终保持更高Cu2+/Cu比例（0.72-0.77），而CuCe/S-M为0.55-0.64；同时CuCe/S-J的Ce3+/Ce比例随温度升高更明显，说明CeO2更易还原并形成氧空位。该结果表明，快速焦耳热构筑的Cu-Ce界面具有更活跃、更平衡的Cu2+/Cu+与Ce3+/Ce4+红氧循环。图6通过原位IR和18O2瞬态交换解析反应路径。CuCe/S-J上NH3在Cu-OH+相关Brønsted酸位和孤立Cu2+相关Lewis酸位上的吸附更强，并在70-210 ℃出现HNO、NH4+和NHx等中间体，随后快速消耗；18O2实验中H216O与H218O的互补演化证明气相氧与晶格氧发生交换，支持以晶格氧参与为主的M-K机制，并伴随少量吸附氧参与的副路径。图7以雷达图概括CuCe/S-J相对CuCe/S-M的综合优势。在330 ℃下，CuCe/S-J的NH3转化率约90%，显著高于CuCe/S-M的21.3%；其Cu分散度、Cu2+/Cu比例、Ce3+/Ce比例和NH3脱附容量均更高。该图将结构参数与催化表现直接关联，说明高分散Cu、Cu2++Ce3+-OV界面、红氧能力、酸性和氧迁移共同决定低温NH3燃烧活性。图8给出两类催化剂的反应路径模型。CuCe/S-M中Cu物种团聚、Cu-Ce作用较弱，导致NH3吸附与氧迁移较慢；CuCe/S-J中快速焦耳热形成高分散Cu2+活性位和Cu2++Ce3+-OV界面，使NH3先在Brønsted/Lewis酸位吸附，生成NH4+、NHx和HNO等中间体，再与活性晶格氧反应生成N2和H2O，仅少量HNO在强氧化条件下进一步形成NO/N2O副产物。

4. 总结展望

这项工作证明，快速焦耳热不仅是一种节时制备手段，更是调控CuCe/SAPO-34界面结构和NH3燃烧路径的有效工具。相比传统马弗炉煅烧，秒级热冲击能够抑制金属氧化物团聚，提升Cu分散度，稳定更多Cu2+、Ce3+-OV与Cu2++Ce3+-OV活性界面，从而增强NH3吸附、红氧循环和晶格氧迁移。面向高浓度氨燃料应用，CuCe/S-J在低温活性、N2选择性和稳定性方面展现出潜力；后续若能进一步结合传热传质建模、反应器放大、NOx控制和真实燃烧系统集成验证，该类焦耳热制备催化剂有望服务于预燃器、稳焰器或氨燃烧NOx控制模块等场景。

注：Running Kang, Liwei Lu, Xiaokun Yi, Wenjun Liang, Feng Bin, Xiaolin Wei,Constructing CuCe/SAPO-34 with enhanced activity for ammonia combustion via rapid joule heating,Proceedings of the Combustion Institute,Volume 42,2026,106208,ISSN 1540-7489,https://doi.org/10.1016/j.proci.2026.106208.