NO$_x$ storage and reduction (NSR) has been widely used for removing NO$_x$ exhaust from lean-burn engines. However, the operation range of NSR has been limited because of the poor activity of NSR catalysts at low temperatures (≤300˚C), especially in urban driving conditions. Since the NSR catalysts are exposed to high temperatures and large amounts of water vapor under the high-speed operation or regeneration condition, it is also essential to achieve an excellent hydrothermal stability. To increase NOx removal efficiency during lean-rich cycle operation, a Cu/CeO$_2$ (CC) catalyst was added to a Pt-BaO/CeO$_2$ (PBC) catalyst. Under lean conditions, the CC showed much better activity for NO oxidation, allowing for faster NO$_x$ storage on PBC. Under rich conditions, H$_2$ was generated in situ on the CC by a water-gas shift reaction then accelerated the reduction of NO$_x$, which had been stored on PBC. These catalytically active phases were anchored on the coordinatively unsaturated penta-coordinate Al$^{3+}$ sites on the activated γ-Al$_2$O$_3$ surface. The catalyst showed a superior low-temperature activity and hydrothermal stability after the hydrothermal aging at 750˚C for 25 h using 10% H$_2$O/air. XRD, HR-TEM, CO chemisorption, N$_2$O chemisorption, and N$_2$ physisorption results showed that catalytically active phases were barely changed even after the hydrothermal aging. CO-TPR and XPS results demonstrated that the catalyst has a superior reducibility of lattice oxygen on CeO$_2$, leading to an excellent low-temperature activity.
질소산화물 흡장 및 환원(NO$_x$ storage and reduction, NSR) 기술은 희박연소 엔진을 사용하는 승용차 배기가스에서 배출되는 질소산화물을 제거하기 위한 방법으로 널리 사용되고 있다. 그러나 NSR은 300˚C 이하의 저온에서 촉매 활성이 낮기 때문에 촉매가 가열되기 어려운 도심 운전 조건에서는 질소산화물 제거가 어렵다. 또한 NSR 촉매는 고속 운전 및 촉매 재생 조건에서 발생하는 많은 양의 수증기와 고온을 견뎌야 하므로 높은 수열안정성이 요구된다. 이에 따라 본 논문에서는 NSR 촉매 활성물질을 적절히 조절함으로써 촉매의 저온 활성과 수열안정성을 증진시키고자 하였다. 상용 NSR 촉매로 사용되는 Pt-BaO/CeO$_2$의 저온 활성을 증대시키기 위해 Cu/CeO$_2$ 촉매를 물리적으로 혼합하였다. 이때, Cu/CeO$_2$가 연료 희박 조건에서는 우수한 NO 산화 활성을 보여 빠른 NO$_x$ 흡장을 가능하게 하였으며, 연료 과잉 조건에서는 수성가스 전환(water-gas shift) 반응을 통한 H2 생산을 촉진시켜 NO$_x$의 저온 환원이 가능하도록 하였다. 그리고 이러한 촉매 활성물질을 γ-Al$_2$O$_3$의 배위적으로 불포화된 5배위 Al$^{3+}$ 자리에 고정함으로써 수열안정성을 증진시킬 수 있었다. 이렇게 합성된 촉매는 10% 수증기가 포함된 공기 조건에서 750˚C, 25 시간의 수열처리 후에도 저온 반응성이 잘 유지되었다. XRD, HR-TEM, CO 및 N$_2$O 화학흡착, BET 비표면적 분석 결과를 통해 촉매 활성물질이 수열처리 후에도 잘 보존되어 있음을 확인하였다. 또한, 우수한 저온 활성은 CeO$_2$의 탁월한 격자 산소 환원성에 의한 것임을 CO-TPR과 XPS 분석을 통해 알아낼 수 있었다.
