一氧化二氮（N2O）排放带来显著的环境与监管挑战，亟需推进催化减排技术的革新。本综述针对工业应用场景评估了三类催化体系：负载金属催化剂（Rh/CeO2、Ru/γ-Al2O3、Rh/Al2O3、Pd/Al2O3）、过渡金属氧化物（Co3O4、Mn2O3、CuO、NiO）及离子交换分子筛（Fe、Co、Cu改性ZSM-5、BEA、SSZ-13、FER、MOR）。对于直接分解反应，催化性能受氧化还原性质、氧脱附特性及助剂引入的共同影响；对于选择性催化还原（SCR）应用，铁基分子筛（如Fe-MFI、Fe-MOR、Fe-BEA、Fe-SSZ-13）兼具高活性、低成本与低毒性优势。在还原剂选择上，针对Fe-BEA分子筛，CO与烃类比H2和NH3表现出更高的反应效率。O2与H2O的存在会抑制两类反应路径，而SO2可导致不可逆失活。在SCR过程中，NO的竞争吸附会抑制其与CO及烃类还原剂的反应。此外，瞬态动力学研究与密度泛函理论（DFT）为揭示反应机理提供了关键支撑，高通量实验与机器学习则可用于突破当前及未来N2O减排工艺的工业化瓶颈。
引言
一氧化二氮（N2O）是一种强效温室气体，占人为温室气体排放的约6.2%，其大气寿命约为131年，会对臭氧层造成长期破坏。工业过程已导致N2O排放快速增长，2020年仅己二酸生产与氨氧化工业就贡献了化学工业N2O排放的76%，因此必须针对此类排放源开发减排策略。本文聚焦直接催化分解与选择性催化还原（SCR）两类主流N2O减排技术，系统比较了负载金属、金属氧化物与分子筛三类催化剂的T50（转化率50%对应温度），并通过气时空速（GHSV）、重时空速（WHSV）及催化剂质量与气体流量比（W/F）对数据进行标准化处理，以实现不同反应条件下的性能对标。除传统催化体系外，单原子催化剂与高熵氧化物（HEOs）等新兴材料也被纳入讨论，同时涵盖常规与非传统还原剂的应用及杂质气体的影响。研究进一步结合瞬态分析产物（TAP）与密度泛函理论（DFT）从分子层面解析反应机理，并展望了高通量实验（HTE）与机器学习（ML）在加速催化剂开发中的应用前景。
热催化性能定义
N2O减排的评价指标包括转化效率与T50，前者反映特定温度下反应物转化为产物的比例，可通过气相色谱（GC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）与质谱（MS）定量；后者指转化效率达到50%时的温度，数值越低表明催化剂活性越高。由于转化效率与T50易受温度、金属负载量与气体流速影响，需结合GHSV、WHSV与W/F进行综合比较，以排除表观活性的偏差。受限于活性位点数量难以精确测定，本文未采用周转频率作为评价指标。
概述与应用考量
直接分解无需添加还原剂，将N2O转化为N2与O2，反应温度为300–600°C；SCR需引入CO、烃类、NH3或H2等还原剂，反应温度可降至150–500°C。直接分解适用于高温排放场景（如己二酸生产、氨燃烧尾气），且避免了引入额外化学品带来的毒性风险与二次排放；SCR则更适合低温工况或还原剂共产的工业过程，在固定源与移动源尾气处理中更具优势。贵金属催化剂（如Rh/CeO2）活性最高，但受成本与资源限制；过渡金属氧化物与分子筛因成本低、元素丰度高成为替代方案，其中分子筛还具备水热稳定性与酸性可调的优势。
直接一氧化二氮分解
直接分解反应式为2 N2O → 2 N2+ O2，反应机制分为Eley–Rideal（E–R）与Langmuir–Hinshelwood（L–H）两类：N2O首先在活性位点解离释放N2并留下吸附氧，随后通过气相N2O与吸附氧反应（E–R）或两个吸附氧原子复合（L–H）生成O2。氧脱附是该过程的速率控制步骤，O2与H2O会通过竞争吸附抑制反应，SO2则会导致不可逆失活。
负载金属催化剂
Rh/CeO2是活性最高的体系之一，CeO2载体的氧化还原特性可促进氧空位形成与氧物种交换，降低反应能垒。碱金属助剂（如Cs）可通过电子效应提高Rh分散度，增强氧脱附能力；Pd助剂则可促进Rh物种还原与氧空位生成。单原子催化剂（如Ru/CeO2、Pt/MgAl1.2Fe0.8O4）因高原子利用率表现出优异性能，而金属有机框架（MOFs）衍生的多孔碳基催化剂可通过调控孔结构与活性组分分布进一步提升活性。
金属氧化物
过渡金属氧化物中，Mn3+是Mn2O3的活性位点，Co3O4的活性可通过碱金属（Cs、K）与稀土元素（Sm、Pr、Dy）掺杂增强：碱金属通过电子效应削弱Co–O键，促进氧脱附；稀土元素则通过氧化还原循环稳定活性价态并增加氧空位浓度。高熵氧化物（CuMgNiZn）1Co2O4因晶格畸变产生丰富的表面氧空位，T50较单一Co3O4降低30°C，且具有更好的热稳定性。
分子筛
Fe、Cu、Co交换的分子筛因高比表面积与规整孔道结构被广泛研究。Fe-SSZ-13因存在二聚体[Fe–O–Fe]活性位点表现出最高分解速率；分子筛骨架结构（如MOR、BEA、ZSM-5）会影响金属位点配位环境与扩散特性，进而调控活性：MOR中的β型Co2+位点因空间邻近易形成离子对，促进N2O活化；介孔改性可增加Fe位点暴露，减少惰性Fe2O3颗粒生成。原位表征证实，6元环中的Fe2+是氧化还原循环的活性中心，氧脱附是该过程的限速步骤。
抑制气体影响
工业废气中的NO、O2、H2O与SO2均会抑制直接分解：NO与O2通过竞争吸附占据活性位点，H2O会降低表面还原性，SO2则会与活性组分反应生成硫酸盐导致永久失活。通过掺杂K、Dy等助剂可增强催化剂抗毒性能，如K/Dy共掺杂Co3O4在含NO、O2与H2O氛围中仍保持稳定活性。
直接分解催化剂耐久性
Fe-FER分子筛在硝酸厂实际尾气中稳定运行12天，FER骨架可有效稳定Fe(II)活性位点；多孔Fe2O3–ZrO2与NiO–ZrO2纳米复合材料在500°C下保持120小时稳定；CaMn0.6Cu0.4O3钙钛矿在工业级含杂质尾气中连续运行1400小时无明显失活，表明氧化物与分子筛体系均具备工业化潜力。
选择性催化还原
SCR通过还原剂将N2O还原为N2，反应温度较直接分解降低150–300°C，铁基分子筛是最常用的催化剂体系。
CO-SCR
CO通过清除表面吸附氧显著降低反应温度，反应机制分为氧化还原与缔合两类。在Fe-分子筛上，孤立Fe位点遵循E–R机制，CO直接与吸附氧反应生成CO2；Fe2O3颗粒则通过Mars–van Krevelen机制，由CO还原产生氧空位后活化N2O。原位表征证实，FeIII-α-O物种被CO还原为FeII，随后与N2O反应生成N2并再生活性位点。O2与H2O会抑制该过程，NO在低温度下也会竞争吸附活性位点。
烃类-SCR
甲烷与丙烷是高效还原剂，反应通过甲烷与N2O在铁羟基位点作用生成甲氧基、甲酸盐中间产物实现。乙烷因不易发生非选择性氧化反应，利用率高于烯烃；Fe-MOR与Fe-FER中的FeII位点与邻近OH基团构成双功能活性中心，促进C–H键活化。H2O、NO与O2均会抑制反应，其中NO的竞争吸附在低温度下尤为显著。
NH3-SCR
NH3通过去除表面吸附氧促进N2O分解，反应遵循Fe3+–OH/Fe2+–OH氧化还原循环，N2O在Fe2+位点解离生成N2与吸附氧，NH3随后将吸附氧还原为H2O并再生Fe3+。分子筛孔道结构决定铁物种分布：大孔Fe-BEA与Fe-ZSM-5因富集寡核铁氧簇表现出更高活性；MOR骨架中的Fe3+…Fe3+对可降低N≡N键断裂能垒。O2会非选择性氧化NH3，H2O则通过增加表面羟基增强N2O吸附，抑制反应进行。
H2-SCR
H2可快速还原催化剂表面形成氧空位，在Ti0.99Pd0.01O2−δ等催化剂上T50可低至52°C，但H2易与O2发生副反应，限制了其工业应用。
反应机理研究
瞬态动力学（TAP）
TAP反应器通过脉冲实验测定表面物种寿命与基元反应速率，证实Fe-分子筛上的N2O分解优先发生在孤立铁位点，吸附氧寿命极短；泵浦-探针实验表明，H2可在0.5秒内清除N2O产生的吸附氧，验证了还原剂的氧清除效应。
密度泛函理论（DFT）
DFT计算揭示了PdCu合金因d带中心上移平衡了N2O吸附与解离能垒；Ba掺杂Co3O4可将氧空位形成能从261.46 kJ mol−1降至172.71 kJ mol−1；水分子会吸附在Fe3+–O位点形成Fe(OH)2，使N2O分解活化能翻倍，解释了低浓度水导致的失活现象。
展望
高通量与机器学习
高通量实验可同时测试48种催化剂，结合机器学习模型可实现催化剂组成的快速筛选。机器学习原子势（MLIPs）能以接近DFT的精度大幅降低计算成本，有望用于预测复杂催化剂体系的动态演化行为。
工业催化设计
工业应用需重点解决催化剂抗毒性与寿命问题，通过载体改性与助剂掺杂削弱杂质气体吸附；反应器设计需兼顾压降控制与催化效率，可采用整体式结构减少床层阻力；技术经济分析与生命周期评价是确保减排方案经济可行与环境友好的必要环节。
结论
Rh基催化剂在直接分解中活性最优，过渡金属氧化物与铁基分子筛是低成本替代方案；SCR通过引入还原剂可将反应温度降低150°C以上，铁基分子筛兼具高活性与低成本优势；O2与H2O对两类过程均有抑制作用，SO2会导致永久失活；结合高通量实验与机器学习是加速下一代N2O减排催化剂开发的核心路径。
