就在几十年前，氮氧化物排放经常困扰着城市的天空和居民的肺部。这些来自内燃机车辆和机械排气管的污染性活性氮氧化物气体通常缩写为NOx。多年来，通过更清洁的燃烧发动机技术和废气后处理技术(例如氮氧化物选择性催化还原(SCR))的实施，这些排放已得到大幅减少。
尽管车辆电气化将减少或消除许多移动源的排放，但农业和其他越野车辆等难以电气化的部门的排放构成了持续的挑战。更重要的是，随着时间的推移，实现更有效的催化减少这些排放变得越来越困难，因为更高效的柴油发动机产生更少的热量来驱动催化反应。生物柴油或其他低碳燃料等清洁燃料也面临同样的挑战。
现在，太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员最近在《自然通讯》上发表的一项新发现阐明了一个以前未知的关键机制，该机制可以为开发新的、更有效的催化剂以减少燃烧柴油的内燃机的氮氧化物排放提供信息或低碳燃料。
在减少柴油机排放的一流催化剂中，一个谜
柴油车NOx的SCR使用还原剂(通常为氨)和催化剂将NOx转化为氮气、水和二氧化碳。
研究人员在比较一系列一流的铜基催化剂的效率时，发现了一些奇怪的事情：其中一种催化剂(表示为Cu/LTA)的性能在180°C时比同类催化剂的效率低40%，即使添加了更多反应位点。研究人员无法根据之前的研究解释这一观察结果。
PNNL催化科学小组的研究员、《自然通讯》论文的主要作者FengGau说：“我们想了解到底是什么导致了这种催化剂活性较低，尽管有更多的活性位点。”
研究小组利用电子顺磁共振光谱来仔细观察有问题的催化剂。他们检测到了大量的铜——这意味着它正在积累，而不是发生反应——并将其与理论计算结合起来，以确定罪魁祸首。
“它的酸度低于其他两种，”高解释道。“主要是较低的酸度使得中间体的反应性降低。”
然后，研究人员使用水热老化来减少其他催化剂中的酸位点。这些催化剂反过来显示出功效降低，证实了这一发现。
酸度在柴油车排放中的惊人作用
“许多研究都集中在铜的作用上：铜如何形成络合物，以及如何在这种结构中移动，”PNNL的总工程师兼应用催化团队负责人KennethRappe解释道。“那么长期以来一直有一个争论，好吧，酸度的作用是什么?”
在这项研究之前，研究人员已经广泛了解酸性位点在储存氨并在需要时向铜提供氨的作用。
“不仅如此。它实际上发挥着积极的参与作用，”拉普说。“在没有酸性的情况下，形成的活性铜络合物实际上不会驱动反应——它被限制在空间中。”如果没有酸性，铜会积聚而不是发生反应，从而降低催化剂的效率。
通往清洁柴油车之路
有了这一新的认识，制造商和研究人员将能够更好地在燃烧柴油或低碳燃料的工业内燃机中追求更有效的氮氧化物催化还原。
拉普说：“酸位点是在低温下驱动该反应的重要组成部分，也是设计在较低温度下更具活性的优质催化剂的关键考虑因素。”“这是一项重大进展。这个领域已经得到了如此深入的研究。这是一项重大进步，因为它为我们提供了另一种工具来实际改进这些催化剂。”
“我们认为这篇文章是一项基础研究，但这个研究主题高度面向应用，”高补充道。
研究人员的下一步将与催化剂制造商、发动机制造商或两者合作，以改进燃烧柴油或低碳燃料的内燃机的SCR的当前技术水平。
“我们的工作是通报设计新催化剂的机会，”拉普说。