《Journal of Cleaner Production》：Transformation of microcrystalline and graphitization of particulate matter during DPF regeneration driven by non-thermal plasma: Mechanisms and reaction pathways
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史云曦|纪瑞瑞|黄彦康|黄新怡|李正国|高建兵|王向阳江苏大学汽车与交通工程学院，中国江苏省镇江市，212013摘要颗粒物（PM）对生态环境和人类健康的严重危害迫切需要开发绿色、可持续的技术。本文介绍了非热等离子体（NTP）在柴油颗粒过滤器（DPF）中用于低温降解PM的应用。阐明
史云曦|纪瑞瑞|黄彦康|黄新怡|李正国|高建兵|王向阳
江苏大学汽车与交通工程学院，中国江苏省镇江市，212013
摘要
颗粒物（PM）对生态环境和人类健康的严重危害迫切需要开发绿色、可持续的技术。本文介绍了非热等离子体（NTP）在柴油颗粒过滤器（DPF）中用于低温降解PM的应用。阐明了初级颗粒晶体演变与石墨化程度之间的相关性，并确定了PM分解的关键控制因素。结果表明，NTP活性物种浓度、反应温度和反应时间的协同作用决定了2a位置的PM微晶演变。适中的活性物种浓度结合最佳温度范围（129.2°C～143.8°C）可实现最高的PM氧化效率。NTP反应后，“壳层”晶体的曲率增加，而长度、层间距、宽度和间隙均减小。这一过程经历了“松弛→重排压缩→排斥平衡”的动态变化。核心中的无序晶体被氧化，导致曲率增加，晶体长度和宽度减小。初级颗粒的整体晶体长度和层宽度受“壳层”控制，而晶体曲率受“核心”控制。初级颗粒长度的减小和晶体曲率的增加导致ID1/IG比值增加，石墨化程度降低。通过调整反应参数可以优化PM氧化和分解路径，提高NTP对DPF的再生效率。非热等离子体因其显著的低温降解能力，为去除环境污染物提供了新的技术途径。
引言
在全球能源转型的背景下，新能源汽车的大规模应用正在加速。然而，在动力电池的能量密度和适应低温环境方面仍存在重大技术瓶颈。（Feng等人，2025年）。由于柴油发动机具有高扭矩、长耐久性和可靠性，它们仍将作为长途货运、采矿机械和农业机械等场景的首选。（Shi等人，2025年）。虽然柴油发动机实现了高燃油经济性和强劲的动力输出，但也伴随着大量复杂、有毒且对环境有害的颗粒物（PM）排放。欧洲委员会于2024年5月8日正式发布了Euro 7排放标准（Barbier等人，2024年；Kossioris等人，2024年；Zheng等人，2025年；Liu等人，2025年）。在这种背景下，柴油颗粒过滤器（DPF）是主流的后处理技术（Dong等人，2025年）。然而，随着运行时间的增加，PM的积累会导致DPF孔隙堵塞，从而引发排气背压增加和柴油发动机性能下降等问题（Chen等人，2024年）。因此，及时再生DPF尤为重要。热再生通过施加外部能量将柴油颗粒过滤器的温度提高到600°C以上，从而燃烧并去除颗粒物（PM），但这一过程容易损坏DPF的载体结构（Fang等人，2025年；Chen等人，2021年）。催化再生通过在DPF上涂覆贵金属催化剂来降低再生所需的温度，但存在催化剂老化等问题（Han等人，2024年；Hou等人，2026b）。因此，一直在探索新的DPF再生技术。
非热等离子体（NTP）由高活性材料组成，能够在低温（≤200°C）下实现颗粒物的氧化去除，在污染物去除领域展现出巨大应用潜力（Zhu等人，2020a，Zhu等人，2020b；Li等人，2021年；Cui等人，2016年；Zhou等人，2024年；Bin等人，2024年；Zhang等人，2023年，2025年；Wu等人，2020年；Yang等人，2024年；Yang等人，2025年；Zhou和Omara，2023年）。近年来，研究人员研究了DBD发生器参数对PM去除的影响。Babaie等人（2013年，2016年）将稀释后的柴油发动机废气直接引入DBD发生器，通过改变DBD发生器的电压，PM去除率可超过50%。Jang等人（Jang等人，2022年；Jung等人，2024年）研究了涂层材料、施加功率和放电间隙对放电特性的影响。当DBD发生器的放电间隙为2.4毫米时，PM去除效率高达96%，增加功率（16W～20W）有助于提高PM去除效率。上述研究证实了NTP技术对PM污染物的去除效果。
DPF再生过程中的PM去除与温度密切相关。Li和Meng（2020年）发现，在DPF热再生过程中，热量集中在后部中央区域，并从前部传递到后部。为了解决实际运行条件突然变化（如DTI）时可能导致的温度失控风险，Huang等人（2021年）进一步提出了一种解决方案。通过建立安全的再生温度曲线并开发结合模型前馈和反馈的新型控制策略，他们在瞬态驾驶中实现了精确控制，温度超调小于5%，跟踪误差在±15°C以内（Landi等人，2021年）。研究了初始温度和催化剂活性对催化柴油颗粒过滤器（CDPF）再生动力学的影响。结果表明，在中等催化剂活性下，可以在相对较低的峰值温度（约600°C）下实现快速再生。Meng等人（2023年）研究了CDPF在被动再生过程中的颗粒排放特性，发现再生温度和灰尘负荷显著影响颗粒的数量和尺寸分布。高温会增加颗粒总数，而中等温度和高负荷条件促进亚23纳米颗粒的形成。我们的研究小组（Shi等人，2023年，Shi等人，2024a，Shi等人，2024b；Luo等人，2024年，Shi等人，2026年）发现DPF孔隙内颗粒分解与NTP活性物质热分解的温度特性之间存在权衡关系。传统的再生方法和早期的NTP再生技术将PM视为均匀的碳颗粒，忽略了其内部结构的异质性。由于孔结构、流场分布和局部温度的协同调节，DPF内颗粒的氧化路径比NTP反应器中颗粒的直接氧化更为复杂。
在本研究中，基于NTP注入系统分阶段对DPF进行了再生，并在再生后对DPF轴向截面的多个位置进行了PM采样。本研究建立了碳颗粒的“核-壳”模型，突破了均匀碳微球的限制，关注其基本单元“晶体”。比较和分析了DPF再生前后不同径向通道位置的PM微观和纳米形态、微晶结构以及石墨化程度的演变，揭示了DPF内部不同位置PM微晶结构演变的空间依赖性。研究了DPF不同位置的反应温度、NTP浓度和反应时间与微晶结构演变过程之间的相关机制。目的是阐明NTP活性物质从DPF孔隙中去除沉积颗粒的调控机制和反应路径，为优化DPF低温再生策略提供新的理论基础和技术途径。
章节片段
DPF捕获和再生实验
图1(a)～(b)是DPF PM捕获和再生系统的示意图。DPF PM捕获系统主要包括测功机、柴油发动机、排气管、阀门和DPF。柴油发动机转速调整为2500 r/min，负载为75%，废气通过阀门1所在的管道排出。发动机稳定运行后，关闭阀门1，利用废气通过阀门2所在的管道捕获PM。
形态和结构分析
图2显示了NTP处理前后DPF中2a位置初级碳颗粒的HRTEM图像。原始机器下的PM TEM图像见图S1（补充信息）。1a、3a和4a位置的初级碳颗粒的HRTEM图像见图S2（补充信息）。NTP处理后，颗粒经历了显著的结构重构：初级碳颗粒的平均峰值尺寸向更小方向变化。
讨论
在实际汽车应用中，DPF再生根据堵塞程度采用三种不同的模式：轻微堵塞在行驶过程中进行再生；中度堵塞通过停车再生；严重堵塞需要在服务站进行离线再生。利用NTP的核心优势（低温，≤200°C）、无需催化剂、二次排放清洁和低能耗，这项技术可以应用于服务站的DPF再生。
结论
本研究采用非热等离子体对柴油颗粒过滤器进行低温再生。利用高分辨率透射电子显微镜和拉曼光谱分析了再生过程中不同位置颗粒物的微纳结构和石墨化程度的动态演变。结果表明，通过调节关键驱动因素可以加速PM的分解效率。结论如下：
(1)在NTP过程中
CRediT作者贡献声明
史云曦：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，资金获取，概念化。纪瑞瑞：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，正式分析，数据管理，概念化。黄彦康：调查。黄新怡：调查，正式分析。李正国：方法论，数据管理。高建兵：监督，软件，资源，资金获取。王向阳：可视化，验证，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52276115）、国家重点研发计划（2022YFC3701804）和国家大学生创新创业训练计划（资助编号：202410299069Z）的资助。我们感谢Qian Zhang女士（来自Scientific Compass）在TEM分析方面提供的宝贵帮助。
