Kølere katalysatorer:Renere luft til alle

Da livet for millioner af mennesker verden over blev forstyrret af sociale distanceringsforanstaltninger for at bekæmpe COVID-19-pandemien i begyndelsen af ​​2020, en uventet god nyhed dukkede op:niveauet af luftforurening i større byer var faldet med op til 50 % på grund af den globale reduktion af rejser, fremstilling, og byggeri. De mest dramatiske effekter blev set i Indien, hjemsted for 14 af de 20 mest forurenede byer på jorden, hvor folk postede billeder på sociale medier, der viste blå himmel og klar luft for første gang i nyere tid.

Den midlertidige udsættelse var en skarp påmindelse om, at det moderne samfunds motor kører på forbrænding af fossile brændstoffer, som frigiver en skadelig blanding af kemikalier til luften, herunder giftig kuliltegas, VOC'er (flygtige organiske forbindelser) som formaldehyd, der kan forårsage kræft, og nitrogenoxider, der reagerer med VOC'er for at skabe ozon, som forårsager vejrtrækningsproblemer og endda for tidlig død. Verdenssundhedsorganisationen anslår, at syv millioner mennesker bliver dræbt hvert år på grund af luftforurening, og Greenpeace Sydøstasien har rapporteret, at forurenet luft koster verden billioner af dollars i medicinsk behandling årligt.

Problemet med snavset luft er ikke nyt:selv brændende træ frigiver giftige kemikalier, der kan forårsage sundhedsproblemer, når det indåndes. Men eksplosionen af ​​fremstillingen under den industrielle revolution førte til hidtil usete niveauer af luftforurening, der fortsatte stort set ukontrolleret gennem det tidlige 20. århundrede, forværret af den udbredte anvendelse af benzinforbrændende biler. Der var ingen effektive måder at fjerne forurenende stoffer fra udstødningsgasser før i 1950'erne, da maskiningeniør Eugene Houdry opfandt den første katalysator til at håndtere den sorte smog, der kvælede Los Angeles og andre amerikanske byer.

Katalysatorer gør brug af en katalysator, normalt et dyrt metal som platin eller palladium, at fremskynde de kemiske reaktioner mellem ilt og forurenende stoffer i luften for at omdanne dem til mindre giftige biprodukter som vanddamp, carbondioxid, og nitrogengas. Ledning af udstødningsgasser gennem et metalhus belagt med katalysatoren kan fjerne op til 98 % af forurenende stoffer fra dem, og regler, der kræver installation af katalysatorer på biler og skorstene, har hjulpet med dramatisk at forbedre luftkvaliteten i byer rundt om i verden siden 1970'erne.

På trods af katalysatorernes succes med at reducere den forurening, der frigives af hver bil eller fabrik, den dramatiske stigning i antallet af køretøjer og industribygninger på planeten gennem de sidste 50 år har forårsaget et generelt fald i luftkvaliteten. Forskning i atmosfærisk kemi har afsløret, at sammensætningen af ​​udstødning er mere kompleks end oprindeligt antaget, og flere trin har skullet tilføjes til katalysatorer for at fjerne forskellige forurenende stoffer, øge deres omkostninger. Også det, der gør dem dyrere, er knapheden på de ædle metaller, der bruges til at katalysere reaktionerne - i dag, platin koster omkring $785 per ounce. Ikke alene begrænser denne udgift installationen af ​​katalysatorer til store producenter med dybe lommer, det driver en blomstrende kriminel forretning, hvor tyve stjæler katalysatorerne fra biler og sælger dem på det sorte marked for de metaller, de indeholder. Udskiftning af en katalysator kan nemt koste over $1, 000, som mange mennesker i lavindkomstlande simpelthen ikke har råd til, så de fortsætter med at køre biler, der bøvser ufiltreret forurening.

Små strukturer, stor indflydelse

Enhver løsning på dette mangefacetterede problem skal finde en vanskelig balance mellem at reducere omkostningerne ved katalysatorer uden at gå på kompromis med deres ydeevne, og skal være fleksibel nok til at fjerne flere forskellige stoffer fra udstødningen. Mens han arbejdede i laboratoriet hos Wyss Core Faculty-medlem Joanna Aizenberg, tidligere Wyss Institute-forskere Tanya Shirman, Ph.D. og Elijah Shirman, Ph.D. opdagede, at naturen skabte netop sådan en løsning for millioner af år siden, som har gemt sig i almindeligt syn lige siden:sommerfuglevinger.

Når de inspiceres under et mikroskop, overfladen af ​​en sommerfugls vinge viser sig at have en porøs, stiv arkitektur, der giver vingen dens unikke fysiske egenskaber, inklusive farve, vandafvisende, stabilitet, og temperaturkontrol. Shirmans indså, at de kunne efterligne denne nanoskala-arkitektur for at skabe et tilpasseligt stillads til katalysatorer, der ville give dem mulighed for at kontrollere alt fra sammensætningen, størrelse, og placering af de katalytiske nanopartikler til formen og mønsteret af stilladset.

"Katalytiske konvertere har i dag tre store problemer:de er dyre på grund af de ædle metaller, de er ineffektive, fordi meget af katalysatoren aldrig kommer i kontakt med den luft, den skal rense, og katalysatorerne virker kun inden for et bestemt temperaturområde, så før en bil eller en fabrik varmer op, "de spyr bare forurening ud, der ikke er renset, " sagde Tanya Shirman, som nu er VP for Material Design hos Metalmark. "Lige nu, du skal udvikle separate materialer for at løse problemerne med omkostninger, ydeevne, og temperaturstabilitet, men vores teknologi kan løse alle tre problemer på én gang."

Holdet har skabt en prototype, hvor nanopartikler af katalysatoren er placeret på præcise punkter på det honeycomb-lignende organiske kolloid stillads for at sikre, at al katalysatoren bliver udsat for udstødning, minimere spild og producere mere effektiv rengøring. Den kan også fungere effektivt ved lavere temperaturer end en typisk katalysator, reduktion af både forurening frigivet af "kolde" motorer og energiforbrug. Vigtigt, systemet er designet til at integreres problemfrit i den eksisterende katalysatorproduktionsproces. Fordi 70-90% af fremstillingsomkostningerne kommer fra køb af katalysatormetallet, et simpelt skifte til Shirmans design kunne muliggøre produktionen af ​​meget billigere katalysatorer, gøre luftrensning mere overkommelig og forhåbentlig forårsage færre tyverier.

Fra laboratoriebænken til kraftværket

Shirmans begyndte først at teste deres idé i laboratoriet i 2016, og var i stand til at vise, at deres system producerede en meget aktiv og stabil katalysator. Men deres prøve var kun omkring 50 milligram i størrelse (ca. 1/100 af en teskefuld), og de vidste, at de ville være nødt til at teste det i større skala for at bevise, at det kunne fungere på rigtige katalysatorer. De sendte deres projekt til Harvard President's Innovation Challenge i 2017 og vandt andenpladsen, hvilket gav dem tillid til, at det havde potentialet til at lykkes kommercielt såvel som teknisk. Samme år, de ansøgte og blev accepteret som et valideringsprojekt på Wyss Institute, og brugte de næste to år på at optimere og opskalere deres teknologi.

Sidste måned har holdet siden taget endnu et gigantisk spring mod deres mål om at gøre renere luft til en realitet ved at skabe en nystartet virksomhed, Metalmærke. Deres seneste prototype blev for nylig valideret af et specialiseret National Lab og bliver nu testet af en industriel partner.

"De fleste af de nye materialer udviklet i akademiske laboratorier kommer aldrig på markedet, fordi de fungerer rigtig godt i lille skala, men massefremstilling af dem, mens de stadig bevarer deres funktion, er meget vanskeligt og dyrt. Vi startede dette projekt fra bunden, fra en idé, og på få år er det næsten på det punkt, hvor det kan arbejde i et kæmpe kraftværk for at rense store mængder luft, " sagde Elijah Shirman, som nu er VP of Technology hos Metalmark.

Ud over store kraftværker og biler, holdet har deres blikke indstillet på at anvende deres teknologi til indendørs luftrensning til boliger, kontorer, og andre bygninger. Indeluft byder på sit eget unikke sæt af udfordringer:typerne og mængderne af forurenende stoffer varierer dramatisk fra bygning til bygning, og det ville tage en stor mængde energi at opvarme luften til en temperatur, hvor de nuværende katalysatorer kan arbejde, køl den derefter ned til et behageligt niveau. Men Shirmans tror, ​​at med et par flere tekniske tweaks, deres teknologi kunne nå dertil.

"Denne platform er ekstremt fleksibel, og giver os mulighed for hurtigt at løse specifikke problemer, der kan dukke op vedrørende luftrensning. For eksempel, det kunne udstyres med antivirale egenskaber til at filtrere viruspartikler ud af luften, som ville hjælpe med at reducere infektioner i hospitalsmiljøer og kunne indsættes under fremtidige pandemier for at hjælpe med at redde liv, " sagde Tanya Shirman.