宁波材料所&济南大学Nature Catalysis：大大降低反应温度！

2023年10月16日下午9:34 • 顶刊解读

研究背景

催化烟炱(tái)燃烧是去除柴油燃烧产生的烟尘的最有效的后处理技术，这种颗粒物可能会导致严重的健康和环境问题。实际上，排放的颗粒被困在柴油颗粒过滤器(DPF)中，并利用尾气温度在涂层催化剂上进一步氧化，用于DPF再生。然而，目前可用的催化剂不能将点火温度降低至低于排气管温度。特别是，城市柴油车经常在交通中停留大量时间，因此排气温度通常只有10-200°C，如此低的温度无法进行催化烟炱燃烧。

为了应对低温点火对烟炱燃烧的挑战，开发了许多类型的催化剂。一般来说，这些催化剂涉及两个关键因素：它们的内在活性和它们接触烟炱颗粒的效率。前者由催化剂成分决定，催化剂成分主要由贵金属（Pt、Pd和Au）、混合氧化物（钙钛矿、莫来石和Co-Ce氧化物）和碱/碱土金属（K和Sr）组成。后者取决于催化剂的形态能否容纳并有利于接触烟炱颗粒，例如，采用了三维有序的大孔催化剂结构，允许烟炱颗粒进入结构的内孔隙，降低了烟炱扩散到催化剂活性部位的阻力。此外，还探索了介孔结构、空心框架和纳米花样形态，以提高接触效率。

尽管探索了多种催化剂设计的策略，但烟炱燃烧的点火温度，即使是T₁₀（10%的烟炱转换温度），也仍然大于200°C。因此，传统的热催化技术很难达到点火温度极限。另一方面，非热等离子体可以产生O、O₃和其他氧化活性极高的活性基团，已被用于在180°C的点火温度下帮助烟尘催化剂的还原。

最近，Wismann等人提出了一种甲烷重整的电驱动方法，与常规燃烧的化学反应相比，以环保的方式产生H₂，在常规燃烧的化学反应中，通过导电催化剂引起的内部电加热（焦耳加热）在没有外部加热的情况下直接驱动催化反应。这种催化剂的内部加热不仅为实现催化反应的灵活、紧凑和高效的热控制提供了一种方式，还通过电子效应大大提高了催化剂的活性和抗毒化能力。这种有趣的方法也用于其他反应，包括二氧化碳制甲烷和甲醛、一氧化碳和甲苯的氧化。

成果简介

考虑到烟炱是一种导电固体反应物，如果催化烟炱燃烧被电驱动（施加电压），与那些非导电气体反应物相比，效果会增强。此外，一个特别的优势在于，车辆的车载电气系统，特别是混合动力汽车（HEV），可以方便地为电驱动过程提供动力。

近日，宁波材料所张建研究员、张业新副研究员和济南大学张昭良教授在Nature Catalysis上发表文章，Decreasing the catalytic ignition temperature of diesel soot using electrified conductive oxide catalysts，通过使用导电氧化物作为催化剂，大大降低了烟炱颗粒的反应温度。

在本研究中，作者利用典型的导电氧化物催化剂，包括氧化锑锡(ATO)、LaCoO₃钙钛矿、氧化铟锡(ITO)和氧化铟锡负载K (K/ATO)，探索了催化燃烧烟炱的电驱动过程，这些催化剂除了具有高导电性外，还具有抗氧化性。使用这些催化剂，作者设计了一种用于烟炱燃烧的电驱动程序氧化（electrically powered programmed oxidation，EPPO）策略。

图1. 煤烟燃烧的EPPO策略

在这种策略中，对催化剂-烟炱混合物施加线性增加的电力，以便在没有外部加热的情况下触发烟炱燃烧。燃烧效率是根据时间和燃烧温度的函数确定的，并探讨了温度和催化剂-烟炱接触条件的依赖性。EPPO策略被认为在触发烟炱燃烧方面是有效的，其中混合物中一半以上的烟炱在几分钟内被燃烧，而T₅₀（50%的烟炱转换温度）仅<75°C。在紧密接触条件下，使用K/ATO作为催化剂，在<75°C时，烟炱转化效率达到53%。实现的性能远远优于传统的热催化烟炱燃烧，通常在T₅₀>300°C。

作者提出了两个关键的性能机制：（1）电驱动释放晶格氧激活导电氧化物催化剂；（2）导电催化剂和烟炱颗粒之间的相反电动流体化提高催化剂-烟炱接触效率。电驱动过程突破了烟炱燃烧的点火温度极限，因此有可能应对低排气温度下DPF再生的烟炱消除挑战。

这种催化烟炱燃烧的电驱动方法突破了烟炱燃烧的催化点火温度极限，为解决所有低排气温度下烟炱处理提出了一个有前途的策略。有希望的是，该策略可以使用车载电力系统纳入车辆设计，特别是HEV的设计。通过将这一策略与电子控制单元相结合，可以根据PM排放量的变化实时调整电力输入，以降低能源成本。