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輻射后，會將周圍大氣加熱，進而導致全球氣溫升高。此外，大量工業(yè)煙塵的排放還會導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重要。

最近，科學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，可實現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，相關論文以《利用電氣化導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]。


該論文由中國科學院寧波材料技術與工程研究所張建研究員、張業(yè)新副研究員和濟南大學化學化工學院山東省氟化學與化工材料重點實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，在實際應用中，排放的碳煙顆粒被捕集在柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Filters，DPFs）中，然后被進一步氧化。

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

為了實現低溫下的碳煙催化燃燒，中國科學院寧波材料技術與工程研究所張建研究員團隊聯合濟南大學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，在通電幾分鐘內實現了 53% 的碳煙燃燒，而 T₅₀（50% 碳煙轉化的溫度）不超過 75 攝氏度，遠優(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。

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

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%碳煙轉化的溫度），仍然保持在 200 攝氏度以上，傳統(tǒng)的熱催化技術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，令該細分領域的研究者頗為興奮。

相較于之前的化學燃燒過程，更清潔是該策略的特點。在常溫條件下，電流通過導電催化劑所產生的電子和/或電熱效應直接驅動催化反應。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，而且還通過電子效應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，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，電氣化過程所消耗的能量遠比熱過程少，與傳統(tǒng)熱催化相比，節(jié)能率可達到 1-2 個數量級。

此外，該研究還揭示了兩個關鍵的性能機理，即電流可驅動催化劑晶格氧移動，促進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，此效應增進了這兩種顆粒之間的相互作用。

如果對碳煙產生的本質原因及機理完全了解清楚，就可以提前預防有害氣體的產生，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時調整電力輸入，從而降低能源成本，尤其在車載電力系統(tǒng)的混合動力汽車的應用優(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