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本文的主要作者包括Inmaculada Aranda, Sagrario Salgado, Araceli Tapia, Pilar Martín, Florentina Villanueva, Reyes García-Contreras和Beatriz Cabañas。这些作者来自西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查大学的不同学院和研究所，包括化学科学与技术学院、燃烧与大气污染研究所、科技创新园区和国际能源与环境卓越校园。该研究于2023年10月16日在线发表在期刊《Fuel》上。
研究的核心科学领域是燃料燃烧过程中产生的颗粒物（soot）的特性及其大气反应性，尤其是来自大豆/棕榈生物柴油的颗粒物。颗粒物是机动车燃烧过程中产生的主要悬浮颗粒物质，主要由碳元素和多种有机化合物组成。颗粒物不仅对全球变暖有直接贡献，还对人体健康有潜在危害，被认为是致癌物质之一。使用替代燃料可以减少柴油发动机的颗粒物排放，其中生物柴油是最广泛使用的替代燃料之一。然而，生物柴油燃烧产生的颗粒物的物理化学特性及其对环境的影响尚未得到充分研究。
本研究旨在首次使用Knudsen流动反应器结合质谱仪，研究大豆/棕榈生物柴油颗粒物的特性及其与二氧化氮（NO2）和三氟乙酸（CF3COOH）的异相反应，并评估其可能的环境影响。通过Knudsen反应器、漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）、热重分析/差示扫描量热法-质谱（TGA/DSC-MS）和扫描电子显微镜/能量色散光谱（SEM/EDS）等多种技术，对颗粒物进行了详细的表征。
研究流程主要包括以下几个步骤：
颗粒物生成：颗粒物在卡斯蒂利亚-拉曼查大学的能源与环境过程研究实验室通过柴油发动机生成。发动机在稳态运行模式下（1000转/分钟和110牛米扭矩）运行，使用由72%大豆油和28%棕榈油混合而成的生物柴油作为燃料。颗粒物通过不锈钢过滤器收集，并在低于200°C的温度下保存，以避免氧化反应或碳氢化合物/水分的冷凝。
吸附实验：在Knudsen流动反应器中进行NO2和CF3COOH与颗粒物的异相反应实验。反应器在低压条件下工作，通过质谱仪监测气体物种的消失速率。实验过程中，固体样品分布在Pyrex支持物上，与气体流接触。通过测量初始信号水平（I0）和反应发生时的信号水平（I），计算出吸附系数（γ），并进一步分析反应动力学。
DRIFTS分析：使用漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）研究颗粒物表面化学基团的变化。样品在反应前后分别进行光谱记录，分析NO2和CF3COOH反应对表面化学基团的影响。
TGA/DSC-MS分析：通过热重分析/差示扫描量热法-质谱（TGA/DSC-MS）研究颗粒物在加热过程中的质量损失和热流变化。实验在氮气和空气气氛下进行，以确定颗粒物的热分解和氧化过程，并通过质谱仪检测生成的气体物种。
SEM/EDS分析：使用扫描电子显微镜/能量色散光谱（SEM/EDS）分析颗粒物的表面形貌、颗粒尺寸和元素组成。样品在高真空模式下观察，并通过EDS探测器进行元素分析，确定颗粒物的主要元素组成。
研究得到了以下主要结果：
吸附实验：NO2与颗粒物的异相反应表现出较高的吸附系数（γ0=3.85×10^-3），而CF3COOH反应的吸附系数较低（γ0=6.06×10^-4）。NO是唯一的观察到的气态产物。与其它颗粒物样品相比，生物柴油颗粒物表现出更高的NO2反应性，这对柴油颗粒过滤器（DPF）的再生过程具有重要意义。
DRIFTS分析：红外光谱显示，生物柴油颗粒物表面存在多环芳烃化合物（PAHs）和羰基化合物的特征吸收带。NO2反应后，羰基化合物的吸收带增强，表明生成了醛、酮、羧酸或酯类化合物。CF3COOH反应后，OH键的振动范围（3600-3200 cm^-1）显著增加，表明表面发生了还原反应。
TGA/DSC-MS分析：在氮气气氛下，颗粒物在高温下（>570°C）表现出较大的质量损失，主要由于表面脂肪族和含氧化合物的热分解。在空气气氛下，颗粒物在460-620°C之间发生了显著的氧化反应，质量损失高达98%。质谱分析检测到CO2、H2O和NO等气体产物的生成。
SEM/EDS分析：SEM图像显示，生物柴油颗粒物由球形碳颗粒组成，颗粒尺寸范围为14-40纳米。EDS分析表明，颗粒物主要元素为碳（92.3%），其次是氧（7.2%），并检测到微量的硅和硫。
研究表明，生物柴油颗粒物具有较高的氧化反应性，尤其是在与NO2的反应中。这一特性使得生物柴油颗粒物在柴油颗粒过滤器的再生过程中更容易被氧化，从而降低再生温度，减少燃料消耗。此外，颗粒物表面存在大量的还原基团，可能在进入大气后参与氧化还原反应，进而对人体健康产生影响。研究还揭示了生物柴油颗粒物的表面化学特性及其在热分解和氧化过程中的行为，为进一步优化生物柴油使用和减少环境污染提供了科学依据。