近日，Nature Catalysis發表了中國科學院寧波材料技術與工程研究所在耦合場催化領域題為Decreasing the catalytic ignition temperature of diesel soot using electrified conductive oxide catalysts的最新研究成果。該研究由寧波材料所非金屬催化團隊研究員張建、濟南大學教授張昭良與中科院磁性材料與器件重點實驗室研究員鍾志誠合作完成。
催化燃燒是有效降解碳基汙染物的普遍方法，研究人員在活性位設計合成與反應機理研究上持續取得進展。傳統催化燃燒方法雖然可以將碳煙起燃溫度降至排氣溫度範圍內（～300℃）以實現其被動消除，但車輛處於頻繁怠速狀態下排氣溫度低於200℃，現有技術較難突破這一溫度限制。
寧波材料所非金屬催化團隊多年來致力於多相催化研究，開發用於生物質轉化與典型化工反應的高效多相催化材料（Nat. Commun., 2015, 6, 7181;Appl. Catal. B, 2021, 297, 120396;Chem. Comm, 2013, 49, 8151;Green Chem., 2021, 23, 3241等）。該研究中，科研人員嘗試將非傳統的電加熱方式引入催化燃燒過程，創新地發展了碳煙燃燒的電氣化催化方法。對導電奈米金屬氧化物施加低電壓形成貫穿電流，產生電熱效應和電子效應引發與之接觸的碳煙燃燒反應，依託負載鉀的奈米氧化錫銻導體催化劑，設計了程式控制電功率線性增長的電氣化策略。在通電初始5分鐘內可完成50%以上的碳煙轉化、燃燒溫度在75℃以下，顯著降低了燃燒溫度對催化劑-碳煙接觸方式的依賴，效能遠優於傳統熱催化反應（50%碳煙轉化率溫度＞300℃）。該方法只需施加低電壓即可實現碳煙的高效催化淨化，擺脫了外加熱源並減少了熱傳遞損失，能耗可降低一到兩個數量級。
科研人員透過機理研究揭示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。此外，科研人員還發現了導電催化劑顆粒與碳煙顆粒之間相對的電場力流化效應，即兩種顆粒在電場庫倫力作用下會產生逆向運動，該效應可增強催化劑和碳煙之間的接觸。催化燃燒電氣化方法突破了傳統熱催化的碳煙起燃溫度限制，有望用於柴油車及油電混動車尾氣後處理，即以車載電源為動力並將電氣化策略整合到電子控制單元，實現碳煙顆粒物排放的實時控制。
該成果已申請中國發明專利2項、申請PCT專利1項，獲授權中國實用新型專利1項、獲軟體著作權1項。基於奈米電熱催化的整體器件也在甲醛降解、防毒滅菌等場景體現出優異效能。
上述工作得到中科院前沿科學重點研究計劃、中科院海西創新研究院、國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃、山東省重點研發計劃等的資助。
圖1.電氣化催化與傳統熱催化的碳煙起燃溫度比較圖
圖2.導電催化劑顆粒與碳煙顆粒電場力流化效應增強接觸示意圖
來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
