每周科技串講丨小小催化劑，竟能幫助改善空氣質(zhì)量？

8月，生態(tài)環(huán)部向媒體通報(bào)了全國環(huán)境空氣質(zhì)量狀況。1—8月，全國339個(gè)地級(jí)及以上城市平均空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例為83.2%， PM2.5平均濃度為29微克/立方米，同比上升3.6%，較2019年同期下降17.1%。

大家是否感覺到近些年空氣質(zhì)量變好了？尤其是生活在北方的人，可以明顯感覺到藍(lán)天更多了。以北京為例，藍(lán)天不再是“奢侈品”，好天兒越來越多，2022年的空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)為286天，比2013年增加了110天，換算下來，好天兒多了近4個(gè)月。

一般來說，造成空氣質(zhì)量問題的罪魁禍?zhǔn)字饕牵杭?xì)顆粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、氮氧化合物（NOX）、一氧化碳等大氣污染物。而治理大氣，就要從這些污染物入手?；仡櫧┠甏髿馕廴疚锏姆乐芜^程，會(huì)發(fā)現(xiàn)，空氣中PM2.5和SO2的濃度大幅下降，但相較之下，NOX的降幅就沒那么快了。根據(jù)《2022年大氣中國報(bào)告特別篇》，從2011年到2022年，中國SO2總排放的降幅達(dá)到86%，而NOX的降幅只有58%左右。也就是說，NOX還有很大的下降空間。為什么NOX的排放更難控制呢？

首先，NOX的來源就比SO2的要復(fù)雜。SO2的排放主要來自固定端，也就是燃煤發(fā)電廠、工業(yè)鍋爐等，但NOX的排放還多了一種移動(dòng)源——汽車尾氣。這樣一來，科學(xué)家就要研究不同的NOX的污染控制技術(shù)，以便適用于不同的場景。

另一方面，NOX的污染控制技，也叫選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)應(yīng)用的時(shí)間，比SO2的脫硫技術(shù)要晚，SCR在不同領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用也面臨一些問題。例如，在火力發(fā)電廠，SCR就面臨一個(gè)兩難的情況：煤、石油燃燒會(huì)釋放大量煙塵，如果將SCR布置在除塵前，煙塵就容易堵塞催化劑，影響去除NOX的效率。如果先除塵，再布置SCR，煙氣的溫度會(huì)比較低，不在SCR技術(shù)催化劑的活性溫度區(qū)間。在陶瓷、玻璃等行業(yè)，工業(yè)廢氣中還存在堿金屬或者重金屬，SCR催化劑容易中毒，從而失去活性。

不難看出，SCR技術(shù)中，催化劑是關(guān)鍵的一環(huán)，現(xiàn)有的催化劑還不能很好的應(yīng)對(duì)低溫、煙塵，或者金屬中毒的情況。

不過，中國的科學(xué)家們也在抓緊攻克這一難關(guān)。其中，由中國工程院院士、中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心副主任賀泓主持的“燃燒廢氣中的氮氧化物催化凈化基礎(chǔ)研究”，就設(shè)計(jì)出了一系列新型催化劑，可以有效提高催化劑在低溫區(qū)的活性。該研究于2019年獲得國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。研究人員經(jīng)過對(duì)催化反應(yīng)的深入研究，提煉出了一個(gè)高效的催化劑設(shè)計(jì)原則，即催化劑氧化/還原位點(diǎn)與酸性位點(diǎn)緊密耦合的原則。簡單來說，就是催化反應(yīng)中，既需要氧化還原位點(diǎn)，也需要酸性位點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要讓這兩種位點(diǎn)緊密地耦合在一起，反應(yīng)才可以順利發(fā)生。而同一種位點(diǎn)，例如大家都是氧化還原位點(diǎn)，最好高度分散在催化劑表面，讓催化反應(yīng)發(fā)生的面積更大。

在這條設(shè)計(jì)原則下，賀泓團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一系列新型的催化劑，讓催化劑在低溫下表現(xiàn)得更優(yōu)異。其中，賀泓團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)改良的釩基催化劑，已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)場景之中，安裝在重型柴油車的尾氣凈化器上，成功地降低了70%以上的柴油車的氮氧化物排放。相信在未來，隨著對(duì)催化劑更進(jìn)一步的研究，以及研究成果的工業(yè)化推廣，控制大氣中的氮氧化物排放將不再是難題。

文：帝國理工學(xué)院碩士 范可鑫

把關(guān)專家：祝葉華，科技導(dǎo)報(bào)社副編審

中國科協(xié)科普部

新華網(wǎng)

聯(lián)合出品