揭示烟尘过滤器中的化学机制可以导致合成燃料的创新方法。
碳颗粒在我们日常环境中是常见的存在。烟尘由微小的碳颗粒组成，当油或木材等燃料不完全燃烧时，会产生烟尘。烟尘颗粒过滤器通过各种化学表面反应，在汽车排放中去除这些纳米到微米级别的小碳颗粒，起着至关重要的作用。此外，碳颗粒具有工业应用，因为它们可以与二氧化碳（CO2）和水在超过1000摄氏度的温度下转化为合成燃料前体。在这两种用途上，碳表面发生的化学转化是至关重要的；然而，有利于特定反应路径的具体条件尚不完全清楚。
二氧化氮和氧气降解碳颗粒
位于马普化学研究所（MPIC）的一组科学家揭示了影响颗粒过滤器中碳纳米颗粒的氧化过程。他们研究了这些小烟尘颗粒在柴油机排放典型条件下的行为。在约270到450°C的温度范围内，碳与具有反应性的气体（如二氧化氮（NO2）和氧气（O2））相互作用，导致碳的氧化和降解。研究结果表明，当温度升高时，碳质量的减少速度加快。随后，研究人员将他们的实验结果纳入一个称为KM-GAP-CARBON的动力学多层模型中。
模型详细描述了化学过程：在较低温度下，主要是二氧化氮驱动碳的分解，而在较高温度下，则为氧气主导。这种主导反应路径的转变是由启动化学反应所需的活化能的逐渐变化所定义的。
化学模型在大气气溶胶研究中的起源
首席作者、MPIC研究小组负责人托马斯·贝尔克迈尔（Thomas Berkemeier）解释说：“我们最初开发这个模型是为了分析大气中细尘颗粒的化学，但它在高温技术应用中也被证明是有效的。我们的模型有助于阐明温度如何影响化学反应路径。它还揭示了一个有趣的第二个观察结果：反应速率在反应的开始和结束时都是最高的。”
正如最近在期刊Angewandte Chemie上发表的研究所报道，碳颗粒表面更活泼的碳原子最先经历氧化和气化，导致较不活泼原子的积累。这在颗粒上产生了初步钝化效应，减缓了氧化过程。“在反应的末期，与颗粒体积相比的大表面积导致体积归一化反应速率的快速增加，”贝尔克迈尔解释道，他渴望在即将进行的研究中使用显微镜和光谱技术分析颗粒的确切结构。研究小组还计划对反应动力学进行额外研究，以进一步调查不同氧化剂和变化条件的影响。
基础研究助力可再生燃料开发
马普化学研究所的联合作者和主任乌尔里希·珀施尔（Ulrich Pöschl）指出：“我们的研究不仅加深了对碳纳米表面基本过程的理解，还为在环境和能源领域的技术创新铺平了道路，例如改善碳捕集技术和优化合成燃料的生产条件。我们的基础科学研究有助于在人类世中推动可持续技术和社会发展。”
人类世一词指的是当前的地质时代，其特征是人类对地球的显著和广泛影响，这一概念自诺贝尔奖得主保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）提出以来，就在马普化学研究所的科学研究中得到了探讨。
