Mn-Cu/γ-Al2O3 Catalyst for NO x -Assisted Soot Catalytic Combustion

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250128

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2026, Vol. 43 ›› Issue (1): 41-52.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.250128

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Mn-Cu/γ-Al₂O₃ Catalyst for NO _x -Assisted Soot Catalytic Combustion

Peng GAO¹, Shu-Jie WANG¹, Yuan-Yuan SONG²(), Wen-Juan SHAN¹()

^1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China
^2.Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Liaoning Provincial Key Laboratory of Thermochemistry of Energy Materials，Dalian 116023，China

Received:2025-03-28 Accepted:2025-11-03 Published:2026-01-01 Online:2026-01-26
Contact: Yuan-Yuan SONG,Wen-Juan SHAN
About author:wenjuanshan@lnnu.edu.cn
yuanyuansong@dicp.ac.cn
Supported by:
the Scientific Research Fund of Liaoning Provincial Education Department(LJ2020009)

Abstract

Abstract:

The x% Mn-y% Cu/γ-Al₂O₃ catalysts were prepared by the impregnation method and deposition precipitation method. X-ray powder diffraction （XRD）， H₂-temperature programmed （H₂-TPR）， and X-ray photoelectron spectroscopy （XPS） characterized the structure of the catalysts. The activity of lattice oxygen and NO adsorption/oxidation properties of the catalysts were investigated by soot-TPR and NO-TPD. The catalytic performance of soot combustion was evaluated， and the cyclic stability was tested. The results show that the loading mode of the active component Mn has a great influence on the structure and properties of the catalyst. The interaction between Cu and Mn species is regulated by the M—O bond， which affects the ability to activate oxygen and NO， as well as the migration of lattice oxygen. Compared to the 3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃ catalyst prepared by impregnation（imp）， the 3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃ catalyst prepared by deposition precipitation（dp） exhibited enhanced interactions between CuO _z and MnO _z， leading to a rich surface presence of Mn⁴⁺/Mn³⁺ as well as surface-adsorbed oxygen species， thus improving soot combustion performance. In NO presence， the T₅₀ （temperature at 50% conversion of soot） for soot combustion was reduced by 104 ℃. Moreover， the introduction of an appropriate amount of alkali metal Na facilitates electron transfer between Cu and Mn species， increasing the mobility of oxygen species and enhancing soot combustion activity.

Key words: Soot combustion, Nitrogen oxide, Copper-manganese oxide, Alkali metal Na

CLC Number:

O643

Peng GAO, Shu-Jie WANG, Yuan-Yuan SONG, Wen-Juan SHAN. Mn-Cu/γ-Al₂O₃ Catalyst for NO _x -Assisted Soot Catalytic Combustion[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2026, 43(1): 41-52.

Figures/Tables 11

Fig.1 Flowchart of the reaction device

Fig.2 （A） Catalytic activity of the catalysts under 5% O2， 7.5×10-4 NO atmosphere；（B） Catalytic activity data of the x% Mn-y% Cu/γ-Al2O3（dp） catalysts under 5% O2， 7.5×10-4 NO atmosphere；（C） Catalytic activity of 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp） catalyst under different atmospheres；（D） Cyclic stability test of 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp） under 5% O2， 7.5×10-4 NO atmosphere

Table 1 The catalytic activity of some Mn-based catalysts for soot combustion

Mn-based catalysts	Reaction conditions	T₅₀/℃	Contact mode between the catalyst and soot	Ref.
PrMnO₃-1	5% O₂， 1.0×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=9∶1	377	Tight	［4］
Mn₃O₄-HNS	5% O₂， 2.5×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=10∶1	407.7	Loose	［20］
FSP-Mn₃O₄	10% O₂， 90% N₂ m（cat）∶m（soot）=15∶1	305	Tight	［21］
MnO _x -900	10% O₂， 1.0×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=10∶1	394	Loose	［22］
FMO-500	5% O₂， 2.0×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=10∶1	365	Loose	［23］
r-4Mn1Cu	10% O₂， 10% H₂O m（cat）∶m（soot）=10∶1	358	Tight	［24］
Ce_0.7K_0.3Co₃	5% O₂， 1.0×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=10∶1	392	Loose	［25］
Pt@MnO _x /Al₂O₃-1	5% O₂， 2.0×10^-3 NO m（cat）∶m（soot）=10∶1	351	Loose	［26］
3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃（dp）	5% O₂， 7.5×10^-4 NO m（cat）∶m（soot）=4∶1	358	Tight	This work

Table 2 Soot combustion activity of x% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3 catalysts

Samples	T₁₀/℃	T₅₀/℃	T₉₀/℃	ΔT/℃	T_p/℃
1% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃	334	433	470	136	454
3% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃	308	383	415	107	397
5% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃	308	368	398	90	378
7% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃	308	367	396	88	374

Fig.3 （A， B） XRD patterns of x% Mn-y% Cu/γ-Al2O3 series catalysts （（a） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（imp），（b） 3% Mn/γ-Al2O3（dp），（c） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp），（d） 3% Cu/γ-Al2O3（dp））；（C） XRD patterns of x% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3 catalysts （（a） 1% Na，（b） 3% Na，（c） 5% Na，（d） 7% Na）

Table 3 Particle size and cell parameters of γ-Al2O3 in x% Mn-y% Cu/γ-Al2O3 series catalysts

Samples	d^a /nm	a^b /nm
3% Mn/γ-Al₂O₃（dp）	10.35	0.788 0
3% Cu/γ-Al₂O₃（dp）	7.26	0.784 7
3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃（dp）	8.21	0.784 4
3% Mn-3% Cu/γ-Al₂O₃（imp）	9.69	0.788 0

Fig.4 （A） FT-IR spectra of x% Mn-y% Cu/γ-Al2O3 series catalysts （（a） 3% Mn/γ-Al2O3（dp），（b） 3% Mn/γ- Al2O3（imp），（c） 3% Cu/γ-Al2O3（dp），（d） 3% Cu/γ-Al2O3（imp），（e） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp），（f） 3% Mn-3% Cu/γ- Al2O3（imp））；（B） FT-IR spectra of x% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3 catalysts （（a） 1% Na，（b） 3% Na，（c） 5% Na，（d） 7% Na）

Fig.5 XPS spectra of （a） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（imp） and （b） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp） catalyst

Fig.6 （A） H2-TPR profiles of x% Mn-y% Cu/γ-Al2O3 series catalysts （（a） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（imp），（b） 3% Mn/γ-Al2O3（dp），（c） 3% Cu/γ-Al2O3（dp），（d） 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp））；（B） H2-TPR profiles of x% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3 catalysts （（a） 1% Na，（b） 3% Na，（c） 5% Na，（d） 7% Na）

Fig.7 H2 consumption of x% Na-3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3 catalysts

Fig.8 （A） soot-TPR，（B） NO-TPD，（C） NO-O2-TPSR and （D） soot-NO-O2-TPSR data of 3% Mn-3% Cu/γ-Al2O3（dp） catalyst

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