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汽车尾气净化新攻略——氧原子的逃跑计划(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2018-04-16 11:12:16  来源:中国科学院大连化学物理研究所


关键词: 空气污染    氧原子    汽车尾气   

近年来,空气污染已经严重影响人们的健康和生活质量。据统计,机动车尾气排放出的废气在城市的空气污染总量中占60-70%。其中,危害最严重的当属一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)。NO 在常温下无色无臭并对人有致癌作用,且 NO 在空气中能够被氧化成 NO2 ,NO2 对呼吸系统有强烈的刺激作用。而 CO 被吸入后可抑制血红蛋白对氧气的传输能力,使人窒息甚至危害生命。

  近年来,空气污染已经严重影响人们的健康和生活质量。据统计,机动车尾气排放出的废气在城市的空气污染总量中占60-70%。其中,危害最严重的当属一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)。NO 在常温下无色无臭并对人有致癌作用,且 NO 在空气中能够被氧化成 NO2 ,NO2 对呼吸系统有强烈的刺激作用。而 CO 被吸入后可抑制血红蛋白对氧气的传输能力,使人窒息甚至危害生命。

  

  如何净化汽车尾气呢?科研人员想到一个方法,使用金属氧化物催化剂。这种催化剂能为 CO 氧化成 CO2 提供活泼氧。此外,它为 NO 还原成 N2 提供了氧空位用来储存氧,从而形成氧化还原循环,同时去除 CO 和 NO 两种有害物质,使汽车尾气得以净化。

  但是,在这个催化过程中,如果催化剂不能提供更多的活泼氧,或不能提供更多的氧空位,都将限制氧化还原的循环,降低污染物的去除效果。因此,金属氧化物催化材料中氧原子能否逃离金属的束缚,进而成功参与氧化还原循环,就成了制约汽车尾气净化效率的关键问题。

  而如何削弱金属-氧之间的作用,增强氧原子的活性,尽可能帮助氧原子逃离金属的束缚,参与到反应中去,就成为了科学家们需要攻克的难题。

  但是在通常情况下,金属氧化物中金属原子与氧原子之间的相互作用、配位情况等应完全遵循氧化物的晶体结构,这种结构一旦形成就会十分稳定,氧原子被晶格牢牢束缚,再难以逃脱。怎么办?日前,中国科学院大连化学物理研究所孙剑、俞佳枫研究团队专门为金属氧化物中的氧原子制定了“逃离计划”。

  这个计划的核心问题,就是“抢时间”!

  他们采用高温淬火的方法与氧化物打了个“时间差”,利用火焰燃烧2000℃的高温快速形成氧化物,然后,在氧化物晶体的结构大致形成之后,在金属和氧之间产生强相互作用之前,急速地降温,把中间的过渡态“抓取”出来!

  这个时候,氧化物晶体结构基本形成,但是氧原子还没来得及重新排布并与金属原子形成强相互作用,处于无序的亚稳定状态。这个过程非常非常的短,从前驱体分解到氧化物收集的整个过程,要求科研人员必须控制在秒级以内完成,这才是真正的“拼手速”了。

  就这样,研究人员成功将氧原子锁定在一个过渡过程中的无序状态,金属原子对氧原子的束缚力较弱,在较温和的反应条件下,氧原子便能逃离金属的束缚,参与到氧化还原循环中去,从而加速了汽车尾气的净化。

  

  氧原子逃离金属束缚的示意图

  研究发现,采用该方法制备的 Ce-Zr 固溶体氧化物中未发现氧空位,说明催化剂中亚稳态的氧原子在反应前可稳定存在,而在相对温和的条件下,如低温还原、真空处理、担载金属等,就可释放出大量活泼氧。与传统的共沉淀法制备的 Ce-Zr 氧化物相比,采用 FSP 方法制备的氧化物所能提供的氧空位数量增加了19倍。

  该研究成果为开发低温高效汽车尾气净化催化剂提供了技术基础,而这种催化材料的制备技术为新型氧化物催化材料的设计和应用提供了新思路。相关研究成果已在线发表于《化学科学》(Chemical Science,2018, 9, 3386-3394)杂志上。(俞佳枫)

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责任编辑:机经网编辑部 tongdx
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