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    寧波材料所在電氣化催化消除氮氧化物研究方面取得新進展
    作者:,日期:2023-12-07

      催化凈化是控制燃油車污染物排放的重要技術,在催化劑作用下可將排放污染物降解為無害物質。隨著燃油車電氣化水平的提升和因交通擁堵導致的頻繁怠速,排氣溫度經常低于催化劑工作溫度,影響了污染物的降解效率。

      中國科學院寧波材料技術與工程研究所非金屬催化團隊一直致力于環境治理和生物質轉化等領域的多相催化研究。近期,團隊為提升傳統熱催化效率發展了耦合低碳“綠電”的電氣化催化技術:對導電催化劑(如氧化錫銻)施加外電場形成電流,利用催化劑界面處電熱效應和電子效應在低溫引發并維持催化反應。該技術擺脫了外加熱源并減少了熱傳遞損耗,可實現污染物的低溫低能耗催化消除。該技術成功將燃油車碳煙顆粒污染物的起燃溫度降至75℃以下,遠低于傳統熱催化的起燃溫度(>300℃),并節約2個數量級的能耗(Nat. Catal. 2021, 4, 1002–1011; Chem. Eng. J., 465, 2023, 143046)。此外,該技術在甲醛、甲烷和一氧化碳等氣態污染物的氧化消除反應方面也發揮了顯著的增強效應(Chem. Eng. J., 424, 2021, 130320; J. Ind. Eng. Chem., 117, 2023, 273–281; Mater. Adv., 1, 2020, 3582-3588)。目前,圍繞該技術已經布局發明專利10項和軟件著作權1項。

      最近,團隊將電氣化催化技術應用于另一類重要燃油車排放污染物——氮氧化物(NOx)的消除反應,即NOx存儲-還原反應。以Pt和K共負載氧化錫銻為導電催化劑,通過施加低功率(<4W)的電能實現了周期性的NOx存儲-還原過程,起始反應溫度較傳統熱催化反應降低了100℃左右。通過優化NOx存儲和還原兩個階段的功率可進一步提升NOx轉化率和能源利用效率。機理研究揭示,電驅動晶格氧效應在該反應中發揮了關鍵作用,可以促進NOx吸附、脫附和還原等關鍵步驟。該效應在電氣化催化碳煙燃燒反應中也起著關鍵性作用,具有一定的普適性。本團隊發展的電氣化催化技術可以提升燃油車后處理系統的電氣化水平,結合車載電源和電子控制單元等系統實現污染物的實時有效降解。

      該項研究由寧波材料所非金屬催化團隊張建研究員和張業新副研究員與濟南大學張昭良教授合作完成,以“Electrification-Enhanced Low-Temperature NOx Storage-Reduction on Pt and K Co-Supported Antimony-Doped Tin Oxides”為題發表在環境領域頂級期刊Environmental Science & Technology(DOI:10.1021/acs.est.3c05354)上,梅雪怡博士為該論文的第一作者。

      上述工作得到了浙江省自然科學基金(LY23B070002,LQ23E080004)、寧波市自然科學基金(2023J04)、中國博士后科學基金(2022M720152、2022TQ0350)、國家自然科學基金(22276070、22076062、22376078)、山東“泰山學者”計劃(tstp20230628)和山東省自然科學基金(ZR2023ZD39)等項目資助。

    電氣化催化NOx存儲-還原反應示意圖

    (新能源所 梅雪怡)

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