近年來, 空氣汙染已經嚴重影響人們的健康和生活質量. 據統計, 機動車尾氣排放出的廢氣在城市的空氣汙染總量中佔60-70%. 其中, 危害最嚴重的當屬一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO). NO 在常溫下無色無臭並對人有致癌作用, 且 NO 在空氣中能夠被氧化成 NO2 , NO2 對呼吸系統有強烈的刺激作用. 而 CO 被吸入後可抑制血紅蛋白對氧氣的傳輸能力, 使人窒息甚至危害生命.
如何淨化汽車尾氣呢?科研人員想到一個方法, 使用金屬氧化物催化劑. 這種催化劑能為 CO 氧化成 CO2 提供活潑氧. 此外, 它為 NO 還原成 N2 提供了氧空位用來儲存氧, 從而形成氧化還原迴圈, 同時去除 CO 和 NO 兩種有害物質, 使汽車尾氣得以淨化.
但是, 在這個催化過程中, 如果催化劑不能提供更多的活潑氧, 或不能提供更多的氧空位, 都將限制氧化還原的迴圈, 降低汙染物的去除效果. 因此, 金屬氧化物催化材料中氧原子能否逃離金屬的束縛, 進而成功參與氧化還原迴圈, 就成了制約汽車尾氣淨化效率的關鍵問題.
而如何削弱金屬-氧之間的作用, 增強氧原子的活性, 儘可能幫助氧原子逃離金屬的束縛, 參與到反應中去, 就成為了科學家們需要攻克的難題.
但是在通常情況下, 金屬氧化物中金屬原子與氧原子之間的相互作用, 配位情況等應完全遵循氧化物的晶體結構, 這種結構一旦形成就會十分穩定, 氧原子被晶格牢牢束縛, 再難以逃脫. 怎麼辦?日前, 中國科學院大連化學物理研究所孫劍, 俞佳楓研究團隊專門為金屬氧化物中的氧原子制定了 '逃離計劃' .
這個計劃的核心問題, 就是 '搶時間' !
他們採用高溫淬火的方法與氧化物打了個 '時間差' , 利用火焰燃燒2000℃的高溫快速形成氧化物, 然後, 在氧化物晶體的結構大致形成之後, 在金屬和氧之間產生強相互作用之前, 急速地降溫, 把中間的過渡態 '抓取' 出來!
這個時候, 氧化物晶體結構基本形成, 但是氧原子還沒來得及重新排布並與金屬原子形成強相互作用, 處於無序的亞穩定狀態. 這個過程非常非常的短, 從前驅體分解到氧化物收集的整個過程, 要求科研人員必須控制在秒級以內完成, 這才是真正的 '拼手速' 了.
就這樣, 研究人員成功將氧原子鎖定在一個過渡過程中的無序狀態, 金屬原子對氧原子的束縛力較弱, 在較溫和的反應條件下, 氧原子便能逃離金屬的束縛, 參與到氧化還原迴圈中去, 從而加速了汽車尾氣的淨化.
氧原子逃離金屬束縛的示意圖
研究發現, 採用該方法製備的 Ce-Zr 固溶體氧化物中未發現氧空位, 說明催化劑中亞穩態的氧原子在反應前可穩定存在, 而在相對溫和的條件下, 如低溫還原, 真空處理, 擔載金屬等, 就可釋放出大量活潑氧. 與傳統的共沉澱法製備的 Ce-Zr 氧化物相比, 採用 FSP 方法製備的氧化物所能提供的氧空位數量增加了19倍.
該研究成果為開發低溫高效汽車尾氣淨化催化劑提供了技術基礎, 而這種催化材料的製備技術為新型氧化物催化材料的設計和應用提供了新思路. 相關研究成果已線上發表於《化學科學》(Chemical Science, 2018, 9, 3386-3394)雜誌上.