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氮氧化物（NOx）是我国主要的大气污染物之一。选择性催化还原（Selective catalytic reduction,SCR）脱硝技术在燃煤电站得到广泛应用,相应的商用催化剂如钒钨钛系催化剂,其活性温度窗口为300-400℃。燃煤工业锅炉和工业炉窑（如钢铁生产过程炉窑）的烟气温度通常低于200℃,属于低温烟气。因此,开发适用于低温烟气（＜200℃）的低温脱硝技术具有十分重要的工业应用价值。以活性炭为催化剂的NH3选择性催化还原NOx（NH3-SCR）技术是具有发展潜力的环境友好型低温脱硝技术。分子尺度上本征反应关键步骤和材料尺度上强化机制的耦合是活性炭作为SCR催化剂进一步开发和利用的关键科学问题。本文基于密度泛函理论（Density functional theory,DFT）对活性炭催化NH3-SCR本征反应路径进行计算,在分子层面揭示SCR反应的关键步骤,针对关键步骤提出强化路径并进行材料尺度的实验研究,为活性炭催化的低温NH3-SCR技术的发展和工业化应用提供一定参考。基于密度泛函理论对活性炭催化NH3-SCR的本征反应路径进行理论计算。根据催化反应能否完成,确定存在两种活性位点,不饱和C原子和高自旋布居C原子。其中高自旋布居C原子不会失活,是持续发生NO氧化为NO2反应和SCR反应的催化位点。确定了标准SCR和快速SCR本征反应的路径以及相应的关键步骤。快速SCR本征反应包括以下子反应:NO2和NH3的反应、NH2NO分解反应、HNO3和NO的反应以及HONO分解反应。HNO3和NO的反应是快速SCR本征反应关键步骤。标准SCR本征反应由NO氧化为NO2反应和快速SCR反应组成,高自旋布居C原子持续催化NO氧化为NO2是关键步骤。密度泛函理论计算结果为材料尺度上NH3-SCR反应的强化提供了两条途径:一方面可以调控活性炭的物理化学性质,提高NO氧化为NO2的性能;另一方面,可以借助臭氧氧化、低温等离子体等技术将烟气中NO氧化为NO2,提高烟气NO2/NOx摩尔比,加快快速SCR反应的发生。基于活性炭催化NO氧化为标准SCR本征反应关键步骤的理论计算结果,研究了含氧官能团和孔隙结构对NH3-SCR反应脱硝性能的影响。制备了孔隙结构相似、不同含氧量的系列活性炭,结果表明羰基和内酯基团数量对NH3-SCR反应NOx转化率的影响可以忽略,尽可能地消除了含氧官能团对NH3-SCR反应的影响。通过炭化方式和活化方式组合,制备一系列具有典型孔隙结构参数的活性炭。微孔比表面积和孔隙分级度（中大孔孔容与总孔容的比值）均为影响NH3-SCR反应脱硝性能的重要孔隙结构参数。微孔比表面积升高,活性位点数量增加,NO氧化性能提高;分级孔结构的构筑,有利于反应物和产物的扩散,NO氧化性能提高。分级孔型活性炭HAC2具有最高的微孔比表面积,展现了最为优异的SCR脱硝效率,反应温度为200℃时NOx转化率达到33.81%。提出了调控活性炭孔隙结构,即提高微孔比表面积和构筑分级孔结构,强化NH3-SCR反应脱硝性能的路径。基于NO2参与NH3-SCR降低速控步骤能垒的理论计算结果,研究了 NO2/NOx摩尔比对活性炭催化NH3-SCR反应的影响,阐明了 NO2参与的NH3-SCR反应机制。府谷活性炭（FGAC）作为催化剂时,提高NO2/NOx摩尔比显著强化NH3-SCR反应的脱硝性能,且最佳NO2/NOx摩尔比为1.0,210℃时NOx转化率最高为79.5%。N2吸附-脱附、FT-IR等结果表明NO2参与的NH3-SCR反应中,NH4NO3是重要中间体。反应机制可以概括为NH4NO3的生成和消耗:NH3和NO2反应生成NH4NO3,NH4NO3和NO反应消耗NH4NO3。当反应温度较低时,NH4NO3和NO反应的速率较低,未消耗的NH4NO3沉积在活性炭表面,堵塞了活性位点,NOx转化率逐渐降低。随着反应温度的升高,NH4NO3和NO反应加快,NH4NO3消耗速率增加,NH4NO3未沉积在活性炭表面,NOx转化率趋于稳定。活性炭作为催化剂时,NO2参与NH3-SCR反应,使反应关键步骤由NO氧化为NO2转变为能垒较低的HNO3和NO的反应（NH4NO3分解为HNO3和NH3后参与反应）。提出了提高NO2/NOx摩尔比,强化活性炭催化下NH3-SCR反应脱硝性能的路径。研究了孔隙结构对NH3选择性催化还原NO2反应的影响,同时探究了典型烟气条件变化对反应的影响规律。提高活性炭微孔比表面积能够显著强化NH3选择性催化还原NO2反应的脱硝性能。以FGAC为前驱体,900℃下CO2活化制备的活性炭（FGAC900）具有最高微孔比表面积,展现了最佳低温脱硝性能,150℃时NOx转化率达97.80%。同时提高微孔比表面积能够降低最佳脱硝温度（即最高NOx转化率对应的温度）,由FGAC的210℃降低到FGAC900的150℃。O2浓度对NOx转化率几乎没有影响;体积空速对NOx转化率有较大的影响,降低体积空速能够提高NOx转化率;氨氮比（NH3/NO2摩尔比）对NOx转化率有较大的影响,1.1的氨氮比能够保证较高NOx转化率的同时较为完全地消耗NH3。水蒸气和SO2均抑制FGAC900的脱硝性能。150℃时,8%的H2O导致NOx转化率从97.80%下降为90.71%,但水蒸气对NOx转化率的抑制作用是可逆的,该抑制作用来源于NO2和H2O分子的竞争吸附。SO2对FGAC900的脱硝性能为不可逆抑制。