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 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的最新研究成果“Decreasing the catalytic ignition temperature of diesel soot using electrified conductive oxide catalysts”（Nature Catalysis 2021, 4, 1002–1011. DOI: 10.1038/s41929-021-00702-1）。該研究由中科院寧波材料所非金屬催化團隊張建研究員、濟南大學張昭良教授與中科院磁性材料與器件重點實驗室鐘志誠研究員合作完成。

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計合成與反應機理研究上持續取得重要進展。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范圍內（～300℃）以實現其被動消除，但是車輛處于頻繁怠速狀態下排氣溫度低于200℃，現有技術極難突破這一溫度限制。

中科院寧波材料所非金屬催化團隊多年來致力于多相催化研究，開發用于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）。在本項研究中，張業新副研究員等年輕科研骨干獨辟蹊徑，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。對導電納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，依托負載鉀的納米氧化錫銻導體催化劑，設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，性能遠優于傳統熱催化反應（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量級。

圖1丨電氣化催化與傳統熱催化的碳煙起燃溫度比較圖

圖2丨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

研究團隊通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，研究團隊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，實現碳煙顆粒物排放的實時控制。