来自于固定源和移动源的NOx是光化学烟雾和灰霾形成的重要前体污染物。移动源排放的NOx主要来自于柴油车尾气。NH3选择性催化还原（NH3-SCR）技术是目前去除稀燃尾气中NOx最有效的技术，该技术的核心是NH3-SCR催化剂的研发。具有Chabazite（CHA）构型的Cu基小孔分子筛Cu-SSZ-13由于具有高催化活性和水热稳定性等优点是近年来NH3-SCR催化剂研究的热点。目前对Cu-SSZ-13催化剂的活性中心、反应机理、水热老化机理等的研究成果大部分是基于常规液相离子交换法制备的Cu-SSZ-13催化剂。本论文从原位合成法制备的Cu-SSZ-13分子筛的后处理优化和固相合成法制备的Cu-SSZ-13出发，系统研究了Cu-SSZ-13催化剂在NH3-SCR中的反应机理、构效关系、水热稳定性和抗硫性能等。同时，还研究了新型Cu基小孔分子筛Cu-SSZ-50（RTH构型）和Cu-SSZ-39（AEI构型）催化剂的NH3-SCR反应的催化性能、构效关系和水热老化失活机制。
      本论文首先通过精确调控后处理方法，采取HNO3-NH4NO3两步法对原位合成的Cu-SSZ-13分子筛进行了优化，显著提高了其活性和水热稳定性。并明确了后处理过程当中HNO3和NH4NO3的作用。通过H2程序升温还原（H2-TPR），粉末X射线衍射（PXRD）等手段发现，经过HNO3-NH4NO3处理后，Cu-SSZ-13分子筛具有优异水热稳定和活性的原因是分子筛结晶度的提高和暴露出的更多活性Cu2+物种。同时通过固相合成法对SSZ-13载体进行了合成，发现晶种的添加可以提高分子筛的结晶度，离子交换后的Cu-SSZ-13表现了较好的NH3-SCR性能和水热稳定性。
      通过对比不同Cu负载量的Cu-SSZ-13催化剂的水热稳定性，并结合N2物理吸附，PXRD，固体核磁共振（Solid-state NMR），H2-TPR，NO/NH3程序升温脱附（NO/NH3-TPD），电子顺磁共振（EPR），原位漫反射傅里叶红外光谱（DRIFTS）等表征手段，系统分析了Cu-SSZ-13的水热老化机制和高温硫中毒机制。结果表明，Cu2+物种向CuOx的积聚，分子筛结构的破坏是Cu-SSZ-13催化剂水热老化失活的主要原因，并且Cu2+物种会抑制分子筛骨架脱Al，而CuOx的形成会使分子筛结构坍塌。同时我们还考察了Cu-SSZ-13催化剂在高温（750 ℃）的耐硫性能。与SO2在低温的毒化机理不同，在高温，SO2不会在Cu-SSZ-13分子筛表面积累硫酸盐类物种，但是会加剧水热老化对Cu-SSZ-13分子筛的破坏并促进Cu2+向CuOx的积聚，造成不可逆的破坏。
      通过对比不同Cu负载量的Cu-SSZ-13系列催化剂的标准和快速SCR活性，并结合H2-TPR，TPD以及理论计算等手段，明确了在快速SCR反应条件下，NO和NO2在低温和高温的反应路径。在低温，NO只能在Cu2+活性位上反应，而NO2可以在酸性位上与NH3生成NH4NO3。由于小孔分子筛的孔径极小，因此NH4NO3的形成强烈抑制其传质效应，从而使NO转化率降低。通过水热老化降低酸性位，可以减弱低温NH4NO3对NO的抑制效应。在高温，NH4NO3不能积累，NO在Cu活性位上的反应得以恢复，并且同时可以与NO2共同在酸性位上发生快速SCR反应。
      以Cu-SSZ-13的研究结果作为理论指导，考察了Cu-SSZ-50（RTH构型）和Cu-SSZ-39（AEI构型）两种新型小孔分子筛的NH3-SCR反应的催化性能，并利用N2物理吸附，XRD，NMR，FESEM，H2-TPR，EPR，DRIFTS，紫外可见漫反射（UV-Vis）和X射线吸收光谱（XAS）等手段，详细考察了Cu-SSZ-50和Cu-SSZ-39在NH3-SCR反应中的构效关系和水热老化失活机理。Cu-SSZ-50催化剂当中包含高活性的α 物种，可能位于8元环（8MR）附近，和相对活性较低的β物种，可能位于rth笼附近。在水热老化过程中，Cu2+物种容易从活性位迁移至惰性位，从而降低了Cu-SSZ-50的NH3-SCR性能。高Cu负载量的Cu-SSZ-50催化剂在水热老化过程中可以限制Cu物种的移动，进而保留了更多的高活性α 物种，从而使其具有较好的水热稳定性。Cu-SSZ-39和Cu-SSZ-13的结构及其相似，两者都包含有[Cu(OH)]+-Z和Cu2+-2Z两种铜物种，SSZ-39载体中由于具有更多的-Al-O-Si-O-Al-或-Al-O-Si-O-Si-O-Al-等“Al对”结构，使Cu-SSZ-39当中的Cu物种更倾向于以Cu2+-2Z的形式存在，Cu2+-2Z具有较低的化学活性和较强的热稳定性。因此相比于Cu-SSZ-13，Cu-SSZ-39具有较低的NH3-SCR活性但是具有非常优异的水热稳定性。