柴油車排放的碳煙顆粒物是造成PM2.5污染和霧霾天氣的重要成因之一。催化顆粒物捕集器（CDPF）是控制碳煙顆粒物排放的最有效部件，可在催化劑作用下利用尾氣余溫（200-500℃）將攔截的碳煙顆粒燃盡，即實(shí)現(xiàn)CDPF的再生。盡管傳統(tǒng)熱催化再生技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍面臨兩大難題：一是傳統(tǒng)熱催化的碳煙起燃溫度T50（實(shí)現(xiàn)50%碳煙轉(zhuǎn)化率的溫度）多高于300℃，難以應(yīng)對采用低溫燃燒和混合動力等先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)的低溫排放（<200℃）；二是傳統(tǒng)熱催化的碳煙燃燒速率相對較低，不能迅速有效地處理冷啟動、加速或高負(fù)荷等特殊工況下大量碳煙的瞬間排放。

研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中發(fā)展了低溫碳煙燃燒的電氣化催化技術(shù)，以導(dǎo)電金屬氧化物作為催化劑，施加低電壓（<10 V）可在低溫迅速引燃碳煙。以負(fù)載鉀的氧化錫銻（K/ATO）為催化劑，通電5分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化了超過50%的碳煙，而催化劑整體溫度在75℃以下，即T50<75℃，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱催化（T50>300℃），突破了碳煙低溫起燃的技術(shù)瓶頸，并發(fā)現(xiàn)了電驅(qū)動晶格氧釋放機(jī)制（Nature Catalysis 2021, 4, 1002-1011；Chemical Engineering Journal 2023, 465, 143046；Surfaces and Interfaces 2024, 48, 104207）。電氣化催化技術(shù)為CDPF的低溫快速再生提供了一條極具發(fā)展前景的解決方案，但要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用還需解決如下三個關(guān)鍵問題：一是發(fā)展整體式多孔導(dǎo)電催化劑，獲得電氣化CDPF，使兼具過濾碳煙顆粒和電氣化催化碳煙燃燒的雙功能；二是改進(jìn)電氣化控制策略，使在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳煙的全部轉(zhuǎn)化；三是檢驗(yàn)抗SO₂中毒能力。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非金屬催化團(tuán)隊(duì)張建研究員和張業(yè)新副研究員與濟(jì)南大學(xué)張昭良教授合作，基于電氣化催化技術(shù)發(fā)展了電氣化CDPF（e-CDPF）和電脈沖激勵催化（EPSC）再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了柴油車顆粒過濾器的低溫快速再生。

團(tuán)隊(duì)以鋁硅酸鹽多孔陶瓷濾紙（CP）為基底，采用原位生長和浸漬等方法負(fù)載K/ATO催化劑，得到了整體式導(dǎo)電催化劑，作為e-CDPF模型。催化劑的空氣滲透率為1.7×10^?7 mm²，接近已報(bào)道的CDPF催化劑涂層的空氣滲透率（1.5×10^?7 mm²），具備潛在的過濾碳煙顆粒能力。利用EPSC再生策略，向催化劑施加持續(xù)不到半分鐘的電脈沖，快速引燃碳煙，碳煙轉(zhuǎn)化率接近100%。反應(yīng)速率為30.9 μmol g^?1 s^?1，遠(yuǎn)超已報(bào)道的傳統(tǒng)熱催化，能量效率（5.0 gsoot kWh^?1）也高于非熱等離子催化。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以激勵大量催化劑晶格氧釋放，加速碳煙燃燒，同時(shí)促進(jìn)表面硫酸鹽分解，減緩SO₂中毒。

本研究發(fā)展的e-CDPF和EPSC再生技術(shù)可以耦合混合動力的車載電力系統(tǒng)有效應(yīng)對大量碳煙顆粒物的瞬間排放。該研究成果結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期發(fā)展電氣化NOx存儲-還原技術(shù)（Environmental Science & Technology 2023, 57, 20905）將為燃油發(fā)動機(jī)后處理技術(shù)的電氣化開辟一條創(chuàng)新之路。

該工作以“Electricity-Driven Rapid Regeneration of Ceramic Paper-Based Soot Filters with Conductive Potassium-Supported Antimony-Doped Tin Oxide Catalyst”為題發(fā)表在化工領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal上（https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152967）。論文通訊作者為寧波材料所張建研究員和張業(yè)新副研究員以及濟(jì)南大學(xué)張昭良教授。該工作得到了國家基金委、浙江省基金委、山東省基金委、寧波市基金委、中國博士后基金委和泰山學(xué)者工程等項(xiàng)目的資助。

圖1 EPSC再生策略示意圖

圖2 EPSC再生策略下碳煙燃燒性能與文獻(xiàn)報(bào)道碳煙燃燒性能對比：（a）對比已報(bào)道的熱催化等溫反應(yīng)速率；（b）對比已報(bào)道的非熱等離子體催化反應(yīng)能量效率

圖3 柴油車后處理系統(tǒng)真實(shí)場景下e-CDPF和EPSC再生技術(shù)的概念圖

（高分子材料實(shí)驗(yàn)室 張業(yè)新）

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