近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、化学学院、无机合成与制备化学全国重点实验室科研团队在Chemical Science上发表题为“Coaxial 3D printing zeolite core–shell structured catalysts for integrated NOxadsorption and selective catalytic reduction in cold start application”的研究工作。该工作报道了一种基于同轴3D打印技术构筑的高效分子筛核壳催化剂Pd-SSZ-13@Cu-SSZ-13，用于冷启动下NOx吸附和选择性催化还原耦合。该复合催化剂在NOx吸附与NH3-SCR还原过程中，实现了高达96%的NOx去除效率，为车辆冷启动期间的NOx排放治理提供了一种有效策略。
降低柴油发动机尾气中氮氧化物（NOx）排放，是环境可持续发展与公共健康保障领域面临的重要挑战。氨气选择性催化还原（NH3-SCR）是控制柴油车NOx排放最为有效的技术手段，其中Cu-SSZ-13分子筛凭借优异的水热稳定性与催化活性已实现商业化应用，可在200 ℃以上实现100%的NOx转化。然而，该催化剂在低温下的活性不足，使得柴油车冷启动阶段的NOx排放成为亟待解决的关键问题。
引入被动NOx吸附剂（PNA）是应对上述问题的有效策略。以Pd-SSZ-13为代表的Pd基分子筛是主流PNA材料，可在低温捕获NOx并在SCR催化剂工作温度释放。理想情况下，将被动NOx吸附与NH3-SCR工艺耦合，可构建兼具经济性与空间利用率的串联集成体系。然而，开发兼具高吸附容量与优异催化活性的高效双功能催化剂，仍是当前亟需突破的核心难题。
针对以上挑战，本研究创新性地基于同轴3D打印技术，成功制备出具有核壳结构的Pd-SSZ-13@Cu-SSZ-13分子筛复合材料，并将其应用于集成化PNA-SCR催化体系。该材料不仅实现了核壳厚度的灵活调控，而且完整保留各组分原有的理化性质。所构筑的催化剂在PNA吸附与NH3-SCR还原过程中，实现了96%的超高氮氧化物去除效率。其优异的催化性能得益于核壳结构的空间限域效应，氮氧化物能够在低温（< 170 ℃）下被Pd-SSZ-13核层高效吸附，并在 200–350 ℃范围内可控解吸。释放的氮氧化物通过Cu-SSZ-13外壳扩散，在工作温度下与NH3发生高效选择性催化还原，且无明显副反应发生。经组分优化后的Pd-SSZ-13@Cu-SSZ-13展示出优异的NOx吸附容量（NOx/Pd = 0.54）、快速的吸附速率、适配的解吸温度（约250 ℃）以及高效的NH3-SCR活性。
同时，该核壳结构在耦合效率上展现出显著优势：其整体NOx去除率（96%）远高于层叠型结构（3D-PdZ|CuZ）的75%和混合型结构（3D-PdZ/CuZ）的89%。通过深入解析其构效关系发现3D-PdZ@CuZ不仅拥有最大的低温NOx吸附容量，同时能有效避免层叠型结构中因氨氧化副反应导致的还原剂不足问题，以及混合型结构中各反应无序进行的缺陷，从而在高温SCR反应中表现出更优的催化活性。此外，与双涂覆催化剂相比，3D-PdZ@CuZ在保持相当PNA和SCR性能的前提下，具有更简便的自支撑核壳催化剂制备工艺及微小结构的优势且无需更高的贵金属和分子筛负载量，成本更具可控性。
综上，本研究利用同轴3D打印技术成功制备了PNA-SCR核壳结构催化剂，实现了将PNA工艺与现有尾气处理系统的集成，为治理机动车冷启动过程中的NOx排放提供了极具潜力的解决方案（图一）。
图一： 同轴3D打印的Pd-SSZ-13@Cu-SSZ-13分子筛核壳催化剂用于冷启动下NOx吸附和选择性催化还原耦合示意图
相关的研究成果近期发表在Chemical Science上，文章第一作者为吉林大学魏颖真博士与博士研究生冯婧怡，通讯作者为于吉红教授。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/sc/d5sc08988c
