Ny katalysatorkomposit reducerer brugen af ​​sjældne jordarter

Biler står over for stadig strengere emissionsbestemmelser i et forsøg på at reducere mængden af ​​skadelige luftforurenende stoffer, der frigives til miljøet. I Japan, for eksempel, de nuværende emissionsstandarder for NO _x og non-methan carbonhydrider er mindre end 0,05 g/km. I øjeblikket, en metode til at reducere skadelige emissioner er med en højtydende, tre-vejs katalysator (TWC) konverter. Denne enhed reducerer skadelige nitrogenoxider til nitrogen og oxygen, oxiderer kulilte til kuldioxid, og oxiderer uforbrændte kulbrinter til kuldioxid og vand. Imidlertid, det kræver brug af sjældne jordarters grundstof Cerium (Ce), som er stigende i pris og kan lide under forsyningsproblemer. Professor Masato Machida fra Kumamoto University, Japan har forsket i måder at reducere mængden af ​​Ce, der bruges i katalysatorer og endda finde et alternativt materiale til at erstatte det.

I deres seneste forsøg på at reducere mængden af ​​Ce i deres eksperimentelle katalysator, Professor Machida og samarbejdspartnere fra Japans National Institute of Advanced Industrial Science &Technology (AIST) podet ceriumoxid til MnFeO _y (Direktør ₂ /MnFeO _y ), og sammenlignede deres nye katalysator med to referencekatalysatorer, Direktør ₂ /Fe ₂ O ₃ og administrerende direktør ₂ /Mn ₂ O ₃ . Ved vurdering af iltfrigivelsesprofilerne gennem kuliltetemperaturprogrammeret reduktion (CO-TPR), fandt forskerne ud af, at selvom administrerende direktør ₂ /Mn ₂ O ₃ udviste iltfrigivelseshastigheder større end CeO ₂ /MnFeO _y mellem ~350 til ~550 grader Celsius, den eksperimentelle katalysator begyndte at frigives ved den lavest mulige temperatur. Dette gav bevis for, at oxygenfrigivelse blev forbedret ved begge at kombinere Fe ₂ O ₃ og Mn ₂ O ₃ , og grafting CEO ₂ til overfladen.

Oxygenlagringskapaciteten (OSC) viste sig også at blive forbedret med tilføjelsen af ​​CeO ₂ , som understøtter beviser for dens oxygen-gateway-effekt. Forskerne mener, at dette skyldtes en stigning i effektiviteten, når de to iltopbevarende materialer bringes sammen. Mest vigtigt, imidlertid, er TWC's evne til at buffere variationer i luft-til-brændstof (A/F)-forholdet under brændstofrige og brændstoffattige udstødninger. Til dette eksperiment, Pd/A ₂ O ₃ blev brugt som reference mod den administrerende direktør ₂ /MnFeO _y eksperimentel katalysator. Den eksperimentelle katalysator viste sig at give en udtalt buffereffekt, hvorimod referencekatalysatoren ikke havde nogen. Desuden, buffereffekten viste sig at stige, efterhånden som variationer i A/F-frekvensen steg. Dette blev anset for at skyldes den høje iltfrigivelseshastighed af CeO ₂ i de tidlige stadier af forsøget.

Forskerne satte derefter deres nye katalysator på prøve under forhold, der mere lignede den virkelige verden. Ved at bruge den japanske standard JC08-tilstand (varmstart) til benzinmotorer, de udviklede to (reference og eksperimentelle) honeycomb-katalysatorer i virkelig størrelse og sammenlignede deres ydeevne ved hjælp af en firecylindret, 1339 cc, benzinmotor på et chassisdynamometer. Den eksperimentelle katalysator var et 1:2 vægtforhold på 1 vægt% Rh-ladet CeO ₂ /MnFeO _y og 2,5 vægt% Pd/A ₂ O ₃ , og referencekatalysatoren var en blanding af 1 vægt% Rh/CeO ₂ og Pd/A ₂ O ₃ . Den eksperimentelle katalysator brugte 30 % mindre CeO ₂ end referencen og derved reducere behovet for det sjældne jordarters metal.

Testene af katalysatorer i fuld størrelse afslørede, at omdannelsesraten for total kulbrinter (THC) for begge konvertere er meget høj og relativt konsistent gennem hele testen på 20 minutter. og referencekatalysatoren klarer sig generelt lidt bedre. Omregningskurser for CO og NO _x varierer meget med motorhastigheden, acceleration, og deceleration for begge katalysatorer, og forskellene mellem de to katalysatorer er meget små. På trods af en reduktion på 30 % i CEO ₂ , den eksperimentelle katalysator fungerede meget lig referencekatalysatoren.

"Vores nye katalysator viser et stort løfte, og vi håber, at vi kan finde en måde at øge ydeevnen på, især ved lavere temperaturer, " sagde professor Machida. "CeO ₂ -ZrO ₂ fungerer godt til iltlagring og frigivelse ved høje reaktionshastigheder, og vi arbejder i øjeblikket på at skabe en komposit med den og MnFeO _y iltreservoir. Vi håber at være i stand til at forbedre katalysatorens ydeevne og reducere mængden af ​​dyre sjældne jordarters grundstoffer, der bruges på samme tid."