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.
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.
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.
