近日，Nature Catalysis發(fā)表了中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所在耦合場催化領(lǐng)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鐘志誠合作完成。

催化燃燒是有效降解碳基污染物的普遍方法，研究人員在活性位設(shè)計合成與反應(yīng)機理研究上持續(xù)取得進展。傳統(tǒng)催化燃燒方法雖然可以將碳煙起燃溫度降至排氣溫度范圍內(nèi)（～300℃）以實現(xiàn)其被動消除，但車輛處于頻繁怠速狀態(tài)下排氣溫度低于200℃，現(xiàn)有技術(shù)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于多相催化研究，開發(fā)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與典型化工反應(yīng)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(tǒng)的電加熱方式引入催化燃燒過程，創(chuàng)新地發(fā)展了碳煙燃燒的電氣化催化方法。對導(dǎo)電納米金屬氧化物施加低電壓形成貫穿電流，產(chǎn)生電熱效應(yīng)和電子效應(yīng)引發(fā)與之接觸的碳煙燃燒反應(yīng)，依托負載鉀的納米氧化錫銻導(dǎo)體催化劑，設(shè)計了程序控制電功率線性增長的電氣化策略。在通電初始5分鐘內(nèi)可完成50%以上的碳煙轉(zhuǎn)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，性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)熱催化反應(yīng)（50%碳煙轉(zhuǎn)化率溫度＞300℃）。該方法只需施加低電壓即可實現(xiàn)碳煙的高效催化凈化，擺脫了外加熱源并減少了熱傳遞損失，能耗可降低一到兩個數(shù)量級。

科研人員通過機理研究揭示電流可驅(qū)動催化劑晶格氧移動，促進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。此外，科研人員還發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電催化劑顆粒與碳煙顆粒之間相對的電場力流化效應(yīng)，即兩種顆粒在電場庫倫力作用下會產(chǎn)生逆向運動，該效應(yīng)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(tǒng)熱催化的碳煙起燃溫度限制，有望用于柴油車及油電混動車尾氣后處理，即以車載電源為動力并將電氣化策略集成到電子控制單元，實現(xiàn)碳煙顆粒物排放的實時控制。

該成果已申請中國發(fā)明專利2項、申請PCT專利1項，獲授權(quán)中國實用新型專利1項、獲軟件著作權(quán)1項。基于納米電熱催化的整體器件也在甲醛降解、殺毒滅菌等場景體現(xiàn)出優(yōu)異性能。

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(chuàng)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(fā)計劃等的資助。