每周科技串讲丨小小催化剂，竟能帮助改善空气质量？

8月，生态环部向媒体通报了全国环境空气质量状况。1—8月，全国339个地级及以上城市平均空气质量优良天数比例为83.2%， PM2.5平均浓度为29微克/立方米，同比上升3.6%，较2019年同期下降17.1%。

大家是否感觉到近些年空气质量变好了？尤其是生活在北方的人，可以明显感觉到蓝天更多了。以北京为例，蓝天不再是“奢侈品”，好天儿越来越多，2022年的空气质量优良天数为286天，比2013年增加了110天，换算下来，好天儿多了近4个月。

一般来说，造成空气质量问题的罪魁祸首主要是：细颗粒物（PM2.5）、二氧化硫（SO2）、氮氧化合物（NOX）、一氧化碳等大气污染物。而治理大气，就要从这些污染物入手。回顾近些年大气污染物的防治过程，会发现，空气中PM2.5和SO2的浓度大幅下降，但相较之下，NOX的降幅就没那么快了。根据《2022年大气中国报告特别篇》，从2011年到2022年，中国SO2总排放的降幅达到86%，而NOX的降幅只有58%左右。也就是说，NOX还有很大的下降空间。为什么NOX的排放更难控制呢？

首先，NOX的来源就比SO2的要复杂。SO2的排放主要来自固定端，也就是燃煤发电厂、工业锅炉等，但NOX的排放还多了一种移动源——汽车尾气。这样一来，科学家就要研究不同的NOX的污染控制技术，以便适用于不同的场景。

另一方面，NOX的污染控制技，也叫选择性催化还原（SCR）脱硝技术应用的时间，比SO2的脱硫技术要晚，SCR在不同领域和行业的应用也面临一些问题。例如，在火力发电厂，SCR就面临一个两难的情况：煤、石油燃烧会释放大量烟尘，如果将SCR布置在除尘前，烟尘就容易堵塞催化剂，影响去除NOX的效率。如果先除尘，再布置SCR，烟气的温度会比较低，不在SCR技术催化剂的活性温度区间。在陶瓷、玻璃等行业，工业废气中还存在碱金属或者重金属，SCR催化剂容易中毒，从而失去活性。

不难看出，SCR技术中，催化剂是关键的一环，现有的催化剂还不能很好的应对低温、烟尘，或者金属中毒的情况。

不过，中国的科学家们也在抓紧攻克这一难关。其中，由中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心副主任贺泓主持的“燃烧废气中的氮氧化物催化净化基础研究”，就设计出了一系列新型催化剂，可以有效提高催化剂在低温区的活性。该研究于2019年获得国家自然科学奖二等奖。研究人员经过对催化反应的深入研究，提炼出了一个高效的催化剂设计原则，即催化剂氧化/还原位点与酸性位点紧密耦合的原则。简单来说，就是催化反应中，既需要氧化还原位点，也需要酸性位点，在设计时需要让这两种位点紧密地耦合在一起，反应才可以顺利发生。而同一种位点，例如大家都是氧化还原位点，最好高度分散在催化剂表面，让催化反应发生的面积更大。

在这条设计原则下，贺泓团队研发了一系列新型的催化剂，让催化剂在低温下表现得更优异。其中，贺泓团队指导改良的钒基催化剂，已经应用到工业场景之中，安装在重型柴油车的尾气净化器上，成功地降低了70%以上的柴油车的氮氧化物排放。相信在未来，随着对催化剂更进一步的研究，以及研究成果的工业化推广，控制大气中的氮氧化物排放将不再是难题。

文：帝国理工学院硕士 范可鑫

把关专家：祝叶华，科技导报社副编审

中国科协科普部

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