从烟尘颗粒过滤器到可再生燃料：碳纳米粒子氧化研究

碳颗粒存在于我们日常生活的许多方面。煤烟由微小的碳颗粒组成，是在石油或木材等能源未完全燃烧时产生的。烟尘颗粒过滤器反过来又在化学表面反应的帮助下从汽车尾气中去除纳米到微米大小的颗粒

碳颗粒可用于工业，因为在1000°C以上的温度下，碳可以与二氧化碳（CO2）和水转化为合成燃料的前体。在这两种应用中，碳表面发生的化学反应都是必不可少的，但具体反应途径占主导地位的条件尚不完全清楚

来自马克斯·普朗克化学研究所（MPIC）的科学家现在可以更好地解释颗粒过滤器中碳纳米颗粒氧化过程中发生的事情。他们在柴油发动机汽车废气的典型条件下检查了微小的烟尘颗粒

在约270°C至450°C的温度范围内，碳与活性气体二氧化氮（NO2）和氧气（O2）相互作用。这些气体将碳氧化，从而将其分解。结果：温度越高，碳质量消失得越快。研究人员随后将实验数据输入到一个名为KM-GAP-CARBON的动力学多层模型中。

该模型揭示了化学过程——在较低温度下，碳分解主要由二氧化氮主导，而在较高温度下，它主要由氧气主导。主要反应途径的这种变化以化学反应发生所需的活化能的逐渐变化为标志。他们的研究发表在《Angewandte Chemie国际版》上

化学模型源于大气气溶胶研究

“我们的模型最初是为了描述大气中细尘颗粒的化学性质而设计的，但我们发现它也适用于高温技术应用，”该研究的主要作者、MPIC研究小组组长Thomas Berkemeier说

“我们的模型有助于我们理解为什么化学反应途径受到温度的影响。它还解释了第二个特点：在测量中，我们观察到反应速率在反应开始和结束时最高。”

根据这项研究，碳颗粒表面上反应性更强的碳原子首先被氧化和气化，导致表面反应性较弱的原子积聚。这最初会导致颗粒的钝化，氧化过程会减慢

Berkemeier解释说：“在反应接近尾声时，颗粒的表面积与其体积的比值特别大，这就是为什么体积归一化反应速率再次急剧增加的原因。”Berkemeier的目标是在未来使用显微镜和光谱技术检查颗粒的精确结构

此外，化学家和他的团队正在计划进一步研究反应动力学，以探索各种氧化剂和条件的影响

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基础研究有助于可再生燃料的发展。马克斯·普朗克化学研究所的合著者兼所长Ulrich pöschl评论道：“我们的研究不仅加深了对碳纳米表面基本过程的理解。它还为环境和能源领域的技术创新开辟了新的途径，例如通过碳捕获技术的进步和优化合成燃料开发的生产条件。因此，几十年的基础科学研究成果也有助于人类世技术和社会的可持续发展。”自从诺贝尔奖获得者保罗·克鲁岑发现它以来，它一直是马克斯·普朗克化学研究所科学活动和研究的一部分 More information: Thomas Berkemeier et al, Carbon Nanoparticle Oxidation by NO₂ and O₂: Chemical Kinetics and Reaction Pathways, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202413325

Journal information: Angewandte Chemie International Edition