水热合成时间调控CeO2-ZrO2固溶体形貌与晶格缺陷演化及其对柴油烟灰催化燃烧性能的优化机制

为解决柴油尾气颗粒物（PM）低温催化净化难题，研究人员通过水热合成时间调控CeO2-ZrO2固溶体的形貌演变与氧空位生成，发现6小时短时水热处理即可显著提升表面活性氧物种浓度（OROS达47%）和催化活性（T10%降低38℃），为低成本制备高效柴油机尾气催化剂提供新策略。

　　

柴油车作为现代物流运输的主力军，其尾气中的烟灰颗粒（Soot）是城市雾霾的重要元凶。这些直径不足微米的"黑色幽灵"不仅遮挡阳光，更会携带多环芳烃等致癌物侵入人体肺泡。尽管柴油颗粒过滤器（DPF）能捕获99%的烟灰，但要让这些顽固的碳颗粒在柴油机工作温度（200-400℃）下燃烧净化，却如同在冰面上点燃湿柴——常规条件下烟灰的自燃温度高达500℃以上。

这一世纪难题的破解关键，在于开发能大幅降低烟灰起燃温度的催化剂。CeO₂-ZrO₂固溶体因其独特的氧存储能力（OSC）成为研究热点，但传统共沉淀法制备的催化剂存在氧空位浓度低、活性氧物种不足等瓶颈。更棘手的是，工业界亟需在催化活性和生产成本间找到平衡点——现有水热合成工艺虽能提升性能，但长达48-168小时的反应时间显著推高了制造成本。

针对这一矛盾，国内研究人员开展了一项突破性研究。他们发现水热合成时间对CeO₂-ZrO₂催化剂具有"时间剪刀差"效应：6小时短时处理即可诱导形成丰富的氧空位，而过度延长反应时间反而会破坏催化剂微米级片层结构。这种"少即是多"的现象颠覆了传统认知，相关成果发表在催化领域权威期刊《Fuel Processing Technology》上。

研究团队采用多尺度表征与活性测试相结合的策略：通过SEM/TEM观察形貌演变，XPS/Raman分析氧空位浓度，H₂-TPR/O₂-TPD量化活性氧物种，结合固定床反应器评估催化性能。特别设计4组对比样本：传统共沉淀法制备的CZ-0h，以及180℃下水热处理6h（CZ-6h）、48h（CZ-48h）和168h（CZ-168h）的样品。

形貌演化规律
SEM显示短时水热处理的CZ-6h和CZ-48h形成独特的微米级片状结构，由4.5-6.2nm初级颗粒组装而成，这种"积木式"构造大幅提升与烟灰纤维的接触效率。而过度处理的CZ-168h则出现严重烧结，颗粒尺寸增至7.9nm，比表面积骤降44m²/g。

晶格缺陷调控
Raman谱图中629cm^-1特征峰强度比（I_OV/I_F2g）揭示：CZ-6h与CZ-48h的氧空位浓度相当（0.21-0.22），是CZ-0h的2倍。XPS证实其Ce³⁺占比达27-28.6%，直接关联氧空位形成。有趣的是，短时处理即能抑制ZrO₂晶相分离，这对保持催化稳定性至关重要。

活性氧物种爆发
O1s分峰拟合显示CZ-6h的活性氧物种（O^-+O₂^-）占比达47%，接近CZ-48h的52.8%，远高于CZ-0h的31.9%。H₂-TPR数据佐证：CZ-6h在低温区（<600℃）的耗氢量达0.49mmol/g，与CZ-48h相当，说明短时处理已足够激活表面晶格氧迁移能力。

催化性能突破
固定床测试表明，CZ-6h使烟灰起燃温度（T_10%）降至375℃，比传统催化剂低38℃；其TOF值（1.21×10^-3）达到CZ-0h的1.9倍。更难得的是，其CO₂选择性始终保持在95%以上，避免了二次污染。

这项研究颠覆了"长时间水热合成更优"的传统认知，证明6小时短时处理即可通过"形貌-缺陷"协同调控获得高性能催化剂。该策略使水热合成能耗降低87.5%，为柴油车尾气净化装置的规模化应用扫清成本障碍。从更深层次看，研究揭示的"时间-缺陷"定量关系，为其他氧化物催化剂的理性设计提供了普适性方法论。未来通过掺杂过渡金属等方式进一步优化，有望使DPF再生温度降至柴油机怠速工况区间，真正实现"排放即净化"的终极目标。