汽油直喷发动机排气条件下碳烟氮官能团形成机制研究：从-CN到吡啶氮的转化路径及其对NO-碳烟协同去除的影响

本文通过实验表征（XPS、FTIR）与理论计算（DFT）相结合，揭示了在高温贫氧含NO的GDI发动机排气条件下，碳烟表面氮官能团（C(N)）的形成机制。研究发现-CN基团可作为关键中间体转化为吡啶氮（N-6），该转化过程可能导致C(N)反应性降低，进而影响GPF中NO-碳烟协同去除效率。

　　

亮点

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  实验与理论计算揭示了GDI碳烟在NO_x/O₂气氛下氮官能团（C(N)）的形成路径
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  氰基（-CN）作为关键中间体可转化为吡啶氮（N-6），但可能降低C(N)反应活性
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  含氧官能团通过分解生成新活性位点间接参与NO反应

实验细节

采用Special Black 4（SB4）炭黑模拟GDI碳烟，通过热重分析仪（TGA）在873 K、1% O₂+1000 ppm NO条件下进行等温氧化实验。预处理阶段在氩气气氛中673 K加热30分钟以去除挥发分。

实验结果

图1a展示了不同转化率下碳烟的N 1s XPS谱图，主导物种为吡咯氮（N-5）和吡啶氮（N-6），且随氧化进程氮含量持续上升。FTIR谱图在2200 cm^-1附近出现-CN特征峰，证实其作为反应中间体的存在。理论计算表明，-CN在自由边缘位点和含氧位点均可形成，并进一步环化为N-6，该过程伴随"暴露态氮"向"嵌入态氮"的转化。

结论

本研究通过多尺度手段解析了GDI碳烟表面C(N)的形成机制，发现-CN→N-6的转化路径可能降低氮官能团反应性，为优化NO-碳烟协同去除技术提供了理论依据。