利用合成 Fe2O3–SiO2/Al2O3 催化剂的选择性催化还原（SCR）性能特征评估——用于有效降低柴油机尾气排放

为日常发动机清洁空气

柴油发动机为公交车、卡车、农用机械和许多小型发电机提供动力，但它们也排放有害于肺部并导致地球变暖的气体和烟尘。与此同时，全世界堆积如山的塑料废料也在增加。本研究探讨了一种同时处理这两类问题的方法：将废塑料转化为燃料，然后用一种新型低成本装置净化由此产生的尾气，在有害气体进入大气之前将其去除。

为什么柴油尾气难以控制

欧洲及其他地区的现代法规要求柴油车辆大幅减少氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、未燃烧的碳氢化合物（HC）和烟尘的排放。一种主要技术——选择性催化还原（SCR）——通过将尿素溶液注入排气流中生成的氨与 NOx 反应来降低 NOx。但大多数商业 SCR 系统依赖昂贵的贵金属或可能有毒、且只在狭窄温度窗口内工作的钒化合物。当柴油与由废塑料制得的油混合时，挑战更为严峻：这些混合燃料燃烧温度更高且不均匀，会产生更多的 NOx 和未燃尽燃料，需在燃烧后进行额外净化。

用常见矿物构筑催化剂

研究人员设计了一种不同的 SCR 模块，由氧化铁与二氧化硅和氧化铝结合而成，原料来自诸如海滩砂和燃煤飞灰等低成本材料。他们没有将一层薄薄的活性层涂在惰性陶瓷上，而是将活性物质本身成型为坚固的蜂窝状模具，可直接放置在排气管内。显微镜和光谱测试表明，铁原子在介孔结构中高度分散，具有酸性位点与氧化还原位点的良好平衡，有利于氨与 NOx 的接近与反应。该结构在约 150 至 600 摄氏度范围内保持稳定，覆盖了小型柴油机典型经历的全部温度区间。

将新型模块装到实际发动机中

为观察该系统在实验室外的行为，团队将蜂窝块安装在一台 5.2 千瓦单缸柴油发动机的排气中。他们在常规柴油和 50:50 的柴油与塑料衍生油混合燃料上进行了试验，有无催化剂两种情况均进行了比较，并注入尿素以产生用于 SCR 反应的氨。气体分析仪测量了蜂窝块前后的 NO、CO、HC、二氧化碳和烟尘。在不同发动机负载下，催化剂对纯柴油的 NO 排放减少约 68%，对塑料混合燃料减少约 75%，在满载时 NO 降幅可达约 85%。同时，HC、CO 和烟尘分别约下降 55–65%、45–55% 与 55–60%，且未对燃油经济性造成不利影响。

微小孔道如何承担重任

表面研究揭示了该蜂窝块的内部工作原理。孔道内部含有能在氧化态间快速转换的铁位点，用以捕获 NO 分子；邻近的酸性区域则吸附氨。在表面，这些吸附物通过逐步反应机制生成氮气和水，而不是产生不期望的副产物。尽管加入铁略微降低了测得的总表面积，但它创造了更多有用的活性位点并保持这些位点对尾气的可及性。长时间发动机运行前后的测试显示，蜂窝结构与性能几乎未变，表明其具有很强的热稳定性并能抵抗在高排气温度下的烧结或塌陷。

为发动机与塑料废料提供更清洁的途径

对非专业读者而言，关键信息是：一种由铁与常见矿物氧化物制成的简单模块，能够媲美甚至优于一些基于贵金属或钒的系统来净化柴油尾气，同时成本更低并避免了有毒成分。它在宽广的温度范围内有效，既能处理常规柴油，也能处理由废塑料制成的燃料，并在不显著增加燃料消耗的情况下大幅降低有害气体和烟尘。如果进一步放大生产并优化工艺，这类催化剂有望在减少日常发动机污染的同时，推动塑料废料的更循环利用。}

引用: Premkumar, S., Panneerselvam, S., Balasubramanian, D. et al. An evaluation of the performance characteristics of SCR utilizing a Fe₂O₃–SiO₂/Al₂O₃ synthesized catalyst for effective diesel engine exhaust emission reduction. Sci Rep 16, 13932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43472-1

关键词: 柴油尾气, 选择性催化还原, 氧化铁催化剂, 塑料废料燃料, 排放控制