Почему горячие выхлопные газы автомобилей неожиданно делают катализаторы эффективнее?

Горячие автомобильные выхлопы, содержащие окислы азота и угарный газ, оказались ключом к неожиданному увеличению эффективности катализаторов, используемых для очистки выхлопных газов. Международная команда учёных обнаружила, что обработка катализаторов горячим, насыщенным паром автомобильных выхлопов позволяет не только повысить их активность в десять раз, но и существенно снизить потребность в редких и дорогих металлах, таких как родий, платина и палладий. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Почему горячие выхлопные газы автомобилей неожиданно делают катализаторы эффективнее?
Изображение носит иллюстративный характер

В ходе экспериментов учёные из Вашингтонского государственного университета (WSU), Национальной лаборатории тихоокеанского северо-запада (PNNL), Университета Нью-Мексико, Университета Софии (Болгария) и Университета Пердью попытались искусственно состарить катализатор, чтобы изучить его деградацию. Вместо стандартной обработки паром они использовали поток реальных автомобильных выхлопов, насыщенных NOx и CO. Ожидалось, что катализатор быстро потеряет активность. Однако результат оказался противоположным: катализатор стал работать эффективнее.

Ключ к этому феномену — поведение частиц церии (оксид церия), одного из основных компонентов катализатора. Под воздействием горячих выхлопов эти частицы формируют двумерные наноразмерные кластеры, которые плотно покрывают поверхность катализатора. Благодаря этому резко увеличивается количество активных участков, где происходят химические реакции.

Особую роль в этом процессе играют так называемые «слабо связанные» ионы кислорода, окружающие атомы церия. Эти ионы способны легко перемещаться, что критически важно для реакций окисления углеводородов и угарного газа. Как отмечает ведущий автор исследования, профессор Юн Ван (WSU, PNNL): «Они работают как губка для кислорода... это очень полезно для многих реакций, где требуется кислород. Такой подход позволяет по-новому конструировать катализаторы для множества процессов».

Столь значительный рост активности катализатора (примерно в 10 раз) стал настоящей неожиданностью для исследователей. Как вспоминает один из авторов, Абхая Датье (Университет Нью-Мексико): «Интуиция подсказывала, что катализатор должен деактивироваться, но результаты оказались полностью противоположными». Чтобы удостовериться, эксперимент повторяли несколько раз.

Эта находка помогает объяснить давнюю загадку автопрома. Известно, что наночастицы металлов в катализаторах склонны к «спеканию» — слипанию в крупные, малоэффективные образования при воздействии высоких температур. Тем не менее, реальные автомобильные катализаторы служат гораздо дольше ожидаемого. Константин Хиванцев (PNNL) отмечает: «Мы ожидали уменьшения активности в сто раз, но этого не происходило. Значит, неучтённый ранее процесс способствует улучшению рассеивания металлов и сохранению активности».

Дальнейшие исследования показали, что кратковременные температурные всплески, возникающие в реальных условиях работы двигателя, не разрушают катализатор, а наоборот, стимулируют образование активных наноструктур. Януш Саньи (PNNL) подчёркивает: «Атомарно тонкие участки церии в контакте с драгоценными металлами позволяют катализаторам выдерживать экстремальные температуры и сохранять высокую активность».

Практическое следствие открытия — возможность преднамеренно активировать катализаторы этим методом ещё до начала их эксплуатации (так называемая преактивация). Это позволит существенно снизить расход драгоценных металлов, главным образом родия, который составляет около $800 в каждом автомобильном катализаторе. В условиях роста цен на сырьё подобная технология сулит производителям значительную экономию.

В настоящее время методика проходит лабораторные испытания. Учёные совместно с промышленными партнёрами планируют проверить её эффективность в реальных автомобилях при стандартных эксплуатационных нагрузках.


Новое на сайте

20868Уязвимости Plex открыли путь майнерам и Linux-бэкдору 20867Взлом OpenCode Console: под угрозой могли оказаться ключи OpenAI, Anthropic и Google 20866Rank Math PRO: заражённое обновление оставило на сайтах самовосстанавливающийся бэкдор 20865Как исследовательские модели OpenAI обходили ограничения и присваивали чужие данные 20864Атака на BeyondTrust: шпионская группа получила доступ к серверам поддержки 20863Как пакет imgdecode превращает npm-зависимость в загрузчик вредоносного кода? 20862Как PEERSTITCH обходит проверки VPN-сессий FortiOS? 20861Что происходит, когда ИИ-агент выходит за пределы тестовой среды? 20860Как 37-летняя ошибка открыла путь к root в OpenBSD 7.9? 20859ИИ-модели для SOC: точный ответ зависит от улик 20858Как одна учётная запись ConnectWise открыла доступ к 173 арендаторам Microsoft 365? 20857Пять минут до заражения: как подменили обновления AOMEI Backupper 20856Ловушка под видом регистрации: как UAT-11985 крадёт аккаунты Google 20855Может ли виртуальная машина прочитать память хоста? 20854Как дешёвые Android-смартфоны превращаются в чужие прокси?
Ссылка