煙塵，是導(dǎo)致全球氣候惡化最嚴(yán)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(dāng)煙塵顆粒吸收太陽輻射后，會將周圍大氣加熱，進(jìn)而導(dǎo)致全球氣溫升高。此外，大量工業(yè)煙塵的排放還會導(dǎo)致人類患呼吸道感染等疾病。

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

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

2021 年 12 月 17 日，相關(guān)論文以《利用電氣化導(dǎo)電氧化物催化劑降低柴油車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(jì)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(yàn)室張昭良教授擔(dān)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(yīng)用中，排放的碳煙顆粒被捕集在柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Filters，DPFs）中，然后被進(jìn)一步氧化。

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

為了實(shí)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)聯(lián)合濟(jì)南大學(xué)張昭良教授課題組設(shè)計(jì)了碳煙燃燒的電氣化策略，他們用優(yōu)異的抗氧化性和導(dǎo)電性金屬氧化物如氧化銻錫（ATO）、鈣鈦礦（LaCoO₃）、氧化銦錫（ITO）和負(fù)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(nèi)實(shí)現(xiàn)了 53% 的碳煙燃燒，而 T₅₀（50% 碳煙轉(zhuǎn)化的溫度）不超過 75 攝氏度，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)熱催化的 T₅₀（大于 300 攝氏度）。該電氣化方法被稱為 EPPO（electrically powered programmed oxidation）策略。

據(jù)了解，在此之前，人們?yōu)榱舜呋紵熑紵?，曾開發(fā)過多種催化劑。例如，采用三維有序的大孔催化劑結(jié)構(gòu)，使碳煙顆粒進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙，以減少碳煙向催化劑活性位點(diǎn)擴(kuò)散的阻力。

此外，人們還探索了介孔結(jié)構(gòu)、中空框架和納米花形貌來提高催化劑與碳煙的接觸效率。盡管嘗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(zhuǎn)化的溫度），仍然保持在 200 攝氏度以上，傳統(tǒng)的熱催化技術(shù)很難突破起燃溫度極限。

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

相較于之前的化學(xué)燃燒過程，更清潔是該策略的特點(diǎn)。在常溫條件下，電流通過導(dǎo)電催化劑所產(chǎn)生的電子和/或電熱效應(yīng)直接驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)。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(yīng)熱控制方法，而且還通過電子效應(yīng)較大地提高催化劑的活性和抗中毒潛力。

類似策略也被用于其他反應(yīng)，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(dǎo)電的固體反應(yīng)物，所以催化燃燒碳煙的電氣化效果比非導(dǎo)電的氣體反應(yīng)物更加明顯。在能源需求方面，電氣化過程所消耗的能量遠(yuǎn)比熱過程少，與傳統(tǒng)熱催化相比，節(jié)能率可達(dá)到 1-2 個(gè)數(shù)量級。

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

值得關(guān)注的是，碳煙和導(dǎo)電催化劑顆粒之間流化現(xiàn)象被該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，庫侖力可以使碳煙和導(dǎo)電催化劑顆粒非順向移動(dòng)，此效應(yīng)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(jī)理完全了解清楚，就可以提前預(yù)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輛的設(shè)計(jì)中，與電子控制單元相結(jié)合，可以根據(jù)顆粒物排放的變化實(shí)時(shí)調(diào)整電力輸入，從而降低能源成本，尤其在車載電力系統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車的應(yīng)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