科学家提出新型催化技术，可让碳颗粒低温迅速起燃，以消除柴油车排放颗粒物

烟尘，是导致全球气候恶化最严重的因素之一，其有害影响与甲烷相似，破坏潜力仅次于二氧化碳。当烟尘颗粒吸收太阳辐射后，会将周围大气加热，进而导致全球气温升高。此外，大量工业烟尘的排放还会导致人类患呼吸道感染等疾病。

因此，如何解决柴油车排放颗粒物对大气环境及人类健康造成的影响至关重要。

最近，科学家们利用导电金属氧化物作为催化剂，设计了一种能够降低碳烟起燃温度的电气化策略，可实现碳颗粒的低温迅速起燃，该策略旨在解决柴油车碳烟排放所带来的危害。

2021 年 12 月 17 日，相关论文以《利用电气化导电氧化物催化剂降低柴油车碳烟的催化起燃温度》（Decreasing the catalytic ignition temperature of diesel soot using electrified conductive oxide catalysts）为题发表在 Nature Catalysis 上[1]。

该论文由中国科学院宁波材料技术与工程研究所张建研究员、张业新副研究员和济南大学化学化工学院山东省氟化学与化工材料重点实验室张昭良教授担任共同通讯作者。

图｜张建（来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所）

碳烟催化燃烧是减少柴油碳烟颗粒排放较为有效的后处理技术，在实际应用中，排放的碳烟颗粒被捕集在柴油颗粒过滤器（Diesel Particulate Filters，DPFs）中，然后被进一步氧化。

然而，当柴油汽车在怠速状态行驶时，排气温度低至 100-200 摄氏度，这远不能达到碳烟催化燃烧时的温度条件。

为了实现低温下的碳烟催化燃烧，中国科学院宁波材料技术与工程研究所张建研究员团队联合济南大学张昭良教授课题组设计了碳烟燃烧的电气化策略，他们用优异的抗氧化性和导电性金属氧化物如氧化锑锡（ATO）、钙钛矿（LaCoO3）、氧化铟锡（ITO）和负载钾的氧化锑锡（K/ATO）等作为催化剂。

以 K/ATO 为例，在通电几分钟内实现了 53% 的碳烟燃烧，而 T50（50% 碳烟转化的温度）不超过 75 摄氏度，远优于传统热催化的 T50（大于 300 摄氏度）。该电气化方法被称为 EPPO（electrically powered programmed oxidation）策略。

据了解，在此之前，人们为了催化碳烟燃烧，曾开发过多种催化剂。例如，采用三维有序的大孔催化剂结构，使碳烟颗粒进入结构内部孔隙，以减少碳烟向催化剂活性位点扩散的阻力。

此外，人们还探索了介孔结构、中空框架和纳米花形貌来提高催化剂与碳烟的接触效率。尽管尝试用多种策略制备催化剂，但碳烟燃烧的起燃温度，即使是 T10（10%碳烟转化的温度），仍然保持在 200 摄氏度以上，传统的热催化技术很难突破起燃温度极限。

该团队在电气化碳烟催化燃烧方面取得的突破，令该细分领域的研究者颇为兴奋。

相较于之前的化学燃烧过程，更清洁是该策略的特点。在常温条件下，电流通过导电催化剂所产生的电子和/或电热效应直接驱动催化反应。该种电气化策略不仅提供了一种灵活、紧凑、高效的催化反应热控制方法，而且还通过电子效应较大地提高催化剂的活性和抗中毒潜力。

类似策略也被用于其他反应，如二氧化碳甲烷化和甲醛、一氧化碳和甲苯的氧化等。由于碳烟是一种导电的固体反应物，所以催化燃烧碳烟的电气化效果比非导电的气体反应物更加明显。在能源需求方面，电气化过程所消耗的能量远比热过程少，与传统热催化相比，节能率可达到 1-2 个数量级。

此外，该研究还揭示了两个关键的性能机理，即电流可驱动催化剂晶格氧移动，促进晶格氧与碳烟的反应，从而提升活性结构催化碳烟燃烧活性。

值得关注的是，碳烟和导电催化剂颗粒之间流化现象被该团队发现，库仑力可以使碳烟和导电催化剂颗粒非顺向移动，此效应增进了这两种颗粒之间的相互作用。

如果对碳烟产生的本质原因及机理完全了解清楚，就可以提前预防有害气体的产生，从而较大程度地减少其对环境的影响，并可制造出更好的碳材料。

假如将这种策略集成到车辆的设计中，与电子控制单元相结合，可以根据颗粒物排放的变化实时调整电力输入，从而降低能源成本，尤其在车载电力系统的混合动力汽车的应用优势更加明显。

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参考：
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