近日，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所非金屬催化團(tuán)隊(duì)研究員張建、濟(jì)南大學(xué)教授張昭良與中科院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鐘志誠(chéng)合作，在耦合場(chǎng)催化領(lǐng)域取得最新研究成果。相關(guān)論文發(fā)表于《自然—催化》。
非金屬催化團(tuán)隊(duì)多年來(lái)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。在該研究中，副研究員張業(yè)新等獨(dú)辟蹊徑，嘗試將非傳統(tǒng)的電加熱方式引入催化燃燒過程，創(chuàng)新發(fā)展了碳煙燃燒的電氣化催化方法。研究人員對(duì)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(fù)載鉀的納米氧化錫銻導(dǎo)體催化劑，設(shè)計(jì)了程序控制電功率線性增長(zhǎng)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(duì)催化劑—碳煙接觸方式的依賴，性能遠(yuǎn)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(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。
研究團(tuán)隊(duì)通過機(jī)理研究揭示電流可驅(qū)動(dòng)催化劑晶格氧移動(dòng)，促進(jìn)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，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電催化劑顆粒與碳煙顆粒之間相對(duì)的電場(chǎng)力流化效應(yīng)，即兩種顆粒在電場(chǎng)庫(kù)侖力作用下會(huì)產(chǎn)生逆向運(yùn)動(dòng)，該效應(yīng)可增強(qiáng)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(dòng)車尾氣后處理，即以車載電源為動(dòng)力并將電氣化策略集成到電子控制單元，實(shí)現(xiàn)碳煙顆粒物排放的實(shí)時(shí)控制。(秦志偉)
關(guān)鍵詞： 納米電熱催化降解技術(shù) 傳統(tǒng)熱催化 耦合場(chǎng)催化 碳煙起燃溫度限制
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