Hvordan katalysatorer i biler går dårligt, og hvorfor det er vigtigt

Moderne biler er afhængige af katalysatorer til at fjerne kulilte, kulbrinter og andre skadelige kemikalier fra udstødningsemissioner.

For at gøre det er de afhængige af kostbare metaller, der har særlige kemiske egenskaber, som aftager i effektivitet over tid. Lektor Matteo Cargnello og doktorand Emmett Goodman ledede for nylig et team, der har foreslået en ny måde at reducere omkostningerne og forlænge levetiden for disse materialer, løse et problem, der har irriteret bilingeniører i årevis. I processen, Cargnello og kolleger har gjort noget bemærkelsesværdigt:gjort et gennembrud i et modent felt, hvor forandring kommer langsomt, hvis overhovedet.

Hvad med katalysatorer skal forbedres?

En ny katalysator kan koste $ 1, 000 eller mere, gør den blandt de dyreste enkeltdele på enhver bil. De er dyre, fordi de bruger dyre metaller som palladium til at fremme de kemiske reaktioner, der renser udstødningen. Palladium koster omkring 50 dollars pr. gram - mere end guld - og hver katalysator indeholder omkring 5 gram af det. Metaller som palladium er katalysatorer - en særlig klasse materialer, der fremskynder kemiske reaktioner, men ikke ændrer sig kemisk. I teorien, katalysatorer kan bruges igen og igen, på ubestemt tid. I praksis, imidlertid, katalysatorernes ydeevne forringes over tid. For at kompensere, vi er tvunget til at bruge flere af disse dyre metaller på forhånd, tilføjer omkostningerne. Vores mål er bedre at forstå årsagerne til denne nedbrydning, og hvordan man kan modvirke den.

Hvorfor bliver katalysatorer dårlige?

Ideelt set Katalysatorer bør udformes til at have det størst mulige overfladeareal for at fremme det største antal kemiske reaktioner. Så, producenter spreder typisk mange små partikler over overfladen af ​​en ny katalysator. Fra tidligere forskning ved vi, at over tid, metalatomerne begynder at bevæge sig, danner større og større partikler, der tilbyder mindre overfladeareal, og dermed blive mindre effektive. Vi kalder denne klumpningsproces for "sintring". For at modvirke sintring, fabrikanter bruger for store mængder metal, så konverteren vil opfylde emissionsstandarderne for en bils 10- eller 15-årige levetid. Vores team har opdaget, at sintring ikke er den eneste årsag til deaktivering. Faktisk, denne nye deaktiveringsmekanisme viser sig at være det modsatte af sintring. Under visse omstændigheder, i stedet for at partikler bliver større, de nedbrydes til mindre partikler og bliver til sidst enkeltatomer, der i det væsentlige er inaktive. Dette er en ny forståelse, som vi tror, ​​ingen har præsenteret før, og det fik os til at lede efter en helt ny måde at maksimere levetiden og ydeevnen af ​​metallerne i katalysatorer.

Hvad kan vi gøre for at få katalysatorer til at holde længere?

Vores forskning tyder på, at hvis vi nøje kontrollerer både størrelsen og afstanden mellem metalpartikler, palladiumpartikler vil hverken sintre til store klumper eller nedbrydes til enkelte atomer. Tidligere, mange mennesker i katalysesamfundet troede, at hvis man vil gøre partikler stabile, du var nødt til at holde dem så langt fra hinanden som muligt for at forhindre migration af partiklerne. Vi forvirrede denne opfattelse ved at samle et samarbejdesteam, der studerede nedbrydning på en ny måde. Aaron Johnston-Peck fra National Institute of Standards and Technology brugte avanceret mikroskopi til at hjælpe med at visualisere tilstedeværelsen af ​​de enkelte atomer. Simon Bare fra SLAC National Accelerator Laboratory brugte røntgenteknikker til at bevise, at katalytiske materialer starter som partikler og ender som enkelte atomer. For at sætte disse eksperimentelle resultater ind i en teoretisk ramme, vi arbejdede med Frank Abild-Pedersen fra SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis og SLAC, og Philipp Plessow fra Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. De havde de beregningsmæssige ressourcer til at hjælpe os med at simulere deaktiveringsmekanismen på atomær skala. Til sidst, Vi har givet et videnskabeligt grundlag, der kunne gøre det muligt at opretholde forureningsreduktion, mens du bruger mindre ædle metaller og sænker omkostningerne ved katalysatorer. Hvis bilingeniører i sidste ende bekræfter og implementerer disse resultater, det ville være en kæmpe gevinst for forbrugerne i det lange løb.