科學(xué)家提出新型催化技術(shù)，可讓碳顆粒低溫迅速起燃，以消除柴油車(chē)排放顆粒物

煙塵，是導致全球氣候惡化最嚴重的因素之一，其有害影響與甲烷相似，破壞潛力僅次于二氧化碳。當煙塵顆粒吸收太陽(yáng)輻射后，會(huì )將周?chē)髿饧訜?，進(jìn)而導致全球氣溫升高。此外，大量工業(yè)煙塵的排放還會(huì )導致人類(lèi)患呼吸道感染等疾病。

因此，如何解決柴油車(chē)排放顆粒物對大氣環(huán)境及人類(lèi)健康造成的影響至關(guān)重要。

最近，科學(xué)家們利用導電金屬氧化物作為催化劑，設計了一種能夠降低碳煙起燃溫度的電氣化策略，可實(shí)現碳顆粒的低溫迅速起燃，該策略旨在解決柴油車(chē)碳煙排放所帶來(lái)的危害。

2021 年 12 月 17 日，相關(guān)論文以《利用電氣化導電氧化物催化劑降低柴油車(chē)碳煙的催化起燃溫度》（Decreasing the catalytic ignition temperature of diesel soot using electrified conductive oxide catalysts）為題發(fā)表在 Nature Catalysis 上[1]。


該論文由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所張建研究員、張業(yè)新副研究員和濟南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院山東省氟化學(xué)與化工材料重點(diǎn)實(shí)驗室張昭良教授擔任共同通訊作者。

碳煙催化燃燒是減少柴油碳煙顆粒排放較為有效的后處理技術(shù)，在實(shí)際應用中，排放的碳煙顆粒被捕集在柴油顆粒過(guò)濾器（Diesel Particulate Filters，DPFs）中，然后被進(jìn)一步氧化。

然而，當柴油汽車(chē)在怠速狀態(tài)行駛時(shí)，排氣溫度低至 100-200 攝氏度，這遠不能達到碳煙催化燃燒時(shí)的溫度條件。

為了實(shí)現低溫下的碳煙催化燃燒，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所張建研究員團隊聯(lián)合濟南大學(xué)張昭良教授課題組設計了碳煙燃燒的電氣化策略，他們用優(yōu)異的抗氧化性和導電性金屬氧化物如氧化銻錫（ATO）、鈣鈦礦（LaCoO₃）、氧化銦錫（ITO）和負載鉀的氧化銻錫（K/ATO）等作為催化劑。

以 K/ATO 為例，在通電幾分鐘內實(shí)現了 53% 的碳煙燃燒，而 T₅₀（50% 碳煙轉化的溫度）不超過(guò) 75 攝氏度，遠優(yōu)于傳統熱催化的 T₅₀（大于 300 攝氏度）。該電氣化方法被稱(chēng)為 EPPO（electrically powered programmed oxidation）策略。

據了解，在此之前，人們?yōu)榱舜呋紵熑紵?，曾開(kāi)發(fā)過(guò)多種催化劑。例如，采用三維有序的大孔催化劑結構，使碳煙顆粒進(jìn)入結構內部孔隙，以減少碳煙向催化劑活性位點(diǎn)擴散的阻力。

此外，人們還探索了介孔結構、中空框架和納米花形貌來(lái)提高催化劑與碳煙的接觸效率。盡管?chē)L試用多種策略制備催化劑，但碳煙燃燒的起燃溫度，即使是 T₁₀（10%碳煙轉化的溫度），仍然保持在 200 攝氏度以上，傳統的熱催化技術(shù)很難突破起燃溫度極限。

該團隊在電氣化碳煙催化燃燒方面取得的突破，令該細分領(lǐng)域的研究者頗為興奮。

相較于之前的化學(xué)燃燒過(guò)程，更清潔是該策略的特點(diǎn)。在常溫條件下，電流通過(guò)導電催化劑所產(chǎn)生的電子和/或電熱效應直接驅動(dòng)催化反應。該種電氣化策略不僅提供了一種靈活、緊湊、高效的催化反應熱控制方法，而且還通過(guò)電子效應較大地提高催化劑的活性和抗中毒潛力。

類(lèi)似策略也被用于其他反應，如二氧化碳甲烷化和甲醛、一氧化碳和甲苯的氧化等。由于碳煙是一種導電的固體反應物，所以催化燃燒碳煙的電氣化效果比非導電的氣體反應物更加明顯。在能源需求方面，電氣化過(guò)程所消耗的能量遠比熱過(guò)程少，與傳統熱催化相比，節能率可達到 1-2 個(gè)數量級。

此外，該研究還揭示了兩個(gè)關(guān)鍵的性能機理，即電流可驅動(dòng)催化劑晶格氧移動(dòng)，促進(jìn)晶格氧與碳煙的反應，從而提升活性結構催化碳煙燃燒活性。

值得關(guān)注的是，碳煙和導電催化劑顆粒之間流化現象被該團隊發(fā)現，庫侖力可以使碳煙和導電催化劑顆粒非順向移動(dòng)，此效應增進(jìn)了這兩種顆粒之間的相互作用。

如果對碳煙產(chǎn)生的本質(zhì)原因及機理完全了解清楚，就可以提前預防有害氣體的產(chǎn)生，從而較大程度地減少其對環(huán)境的影響，并可制造出更好的碳材料。

假如將這種策略集成到車(chē)輛的設計中，與電子控制單元相結合，可以根據顆粒物排放的變化實(shí)時(shí)調整電力輸入，從而降低能源成本，尤其在車(chē)載電力系統的混合動(dòng)力汽車(chē)的應用優(yōu)勢更加明顯。

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參考：
1. Xueyi Mei et al., Nature Catalysis 4, 1002–1011 （2021）
https://www.nature.com/articles/s41929-021-00702-1
https://phys.org/news/2022-01-low-temperature-ignition-diesel-soot.html