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为探究灰分对颗粒物氧化过程的影响以优化 DPF 再生效率，研究人员利用 TGA、HRTEM 等技术，分析 CuSO?和 CaSO?对颗粒物氧化中理化及力学性能的作用，修正经典四阶段氧化模型，为碳颗粒物治理提供理论方向。
柴油发动机排放的颗粒物（PM）是大气污染的重要来源，不仅威胁环境与人类健康，还对柴油颗粒过滤器（DPF）的高效再生提出挑战。DPF 再生效果很大程度上取决于炭烟颗粒的反应活性，但炭烟氧化过程涉及复杂反应机制，现有经典模型如收缩核模型（SCM）、均相反应模型（HRM）等虽能描述部分过程，却难以全面揭示灰分等因素的影响。实际中，DPF 灰分中的金属化合物如 CuSO?、CaSO?等对炭烟氧化可能有催化或抑制作用，然而其具体影响机制尚不明确，制约着 DPF 性能优化和颗粒物排放控制。
为解决上述问题，研究人员开展了炭烟氧化过程及灰分影响的研究。通过系列实验，得出了不同灰分对炭烟氧化各阶段的作用规律，并修正了经典氧化模型，为深入理解炭烟氧化行为和 DPF 高效运行提供了新依据。该研究成果发表在《Carbon Trends》。
研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。利用热重分析仪（TGA）分析炭烟颗粒氧化过程的质量变化，获取热重（TG）和微商热重（DTG）曲线；借助高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察颗粒的微观和纳米结构，分析一次颗粒尺寸分布及晶格条纹变化；使用拉曼光谱仪（RM2000）测定颗粒的石墨化程度；通过原子力显微镜（AFM）测量颗粒的力学性能，如粘附力和粘附能。实验以商用炭黑 Printex U（PU）的 SB6 型作为柴油发动机颗粒物的替代物，研究 CuSO?和 CaSO?两种典型金属灰分成分的影响，采用 “松散接触” 配置，灰碳质量比为 1:5。
3.1 微观结构
研究发现，随着氧化程度推进，炭黑颗粒从初始的球形或近球形聚集体逐渐发展为内部中空、边缘皱缩，最终破碎成片状碎片并聚集成大碳质团块。CaSO?灰分使颗粒形态保持相对完整，而 CuSO?灰分则导致更明显的聚集。颗粒尺寸分布显示，氧化初期（0%-20%）小颗粒和大颗粒比例减少，中等尺寸颗粒比例增加；高氧化程度（80%）时，小颗粒比例显著上升，大颗粒减少。CuSO?加速了中等尺寸颗粒的氧化，延缓了碳层破裂。
3.2 纳米结构
炭黑颗粒具有典型的核壳结构，核心为无序微晶，外层为有序碳层。氧化过程中，碳层生长重组，边缘呈多面体，40% 氧化时出现中空结构，80% 时核心被破碎碳质碎片取代。CaSO?因固态或离子态阻碍碳表面与氧气接触，延缓中空结构形成，抑制内部氧化；CuSO?则通过铜离子催化加速外围碳层氧化，保持核壳结构直至高氧化阶段，未引发颗粒破碎。拉曼光谱分析表明，氧化程度增加，AD1/AG比值下降，石墨化程度提高。CaSO?促进石墨化，降低颗粒反应活性；CuSO?则抑制石墨化，加速外部氧化。
3.3 石墨化程度
拉曼光谱拟合显示，G 带对应结晶碳相，D1 带来自石墨烯层边缘碳原子，D3 带归因于无定形碳，D4 带来自多烯结构中的 C-C 键。随着氧化程度升高，SB6 样品的 AD1/AG比值从 1.84 降至 1.72，结构有序性增强。CaSO?存在时，颗粒石墨化程度更高，反应速率减缓；CuSO?则使石墨化程度降低，外部碳层氧化加速。
3.4 力学性能
原子力显微镜分析显示，纯炭黑颗粒的粘附力和粘附能在氧化初期下降，80% 氧化时因颗粒破碎产生新结合位点而上升。引入灰分后，粘附性能随氧化程度升高呈单调下降，未出现升高现象。硫酸盐灰分通过改变颗粒结构，减少接触时间和分离距离，降低粘附能。
3.5 颗粒氧化模式
基于实验结果，研究人员修正了炭黑颗粒氧化模型，将其分为四个阶段：初始氧化（0%-20%，以外部氧化为主）、氧化推进（20%-40%，无定形碳氧化，开始内部氧化）、快速内部氧化（40%-60%，内部碳核快速氧化，形成中空结构）、破碎聚集（60%-80%，碳壳内外氧化，破碎聚集）。CaSO?主要抑制内部氧化，减缓氧化速率；CuSO?加速外部氧化，在内部氧化前完成整体氧化。两者均减少氧化末期小颗粒的过度聚集。
研究结论表明，灰分成分对炭黑颗粒氧化过程有显著影响，CaSO?抑制内部氧化，CuSO?加速外部氧化。通过修正四阶段氧化模型，揭示了不同灰分的作用机制，为 DPF 再生优化和颗粒物排放控制提供了理论基础。该研究有助于指导润滑油添加剂配方优化，减少灰分积累，提升 DPF 性能，对改善空气质量、实现可持续发展目标具有重要意义。未来研究可进一步探索混合硫酸盐及发动机磨损产生的其他灰分对颗粒氧化和发动机磨损的影响，深化灰分 - 颗粒 - 磨损机制的关联研究。
