For at reducere forureningen af ​​køretøjer, et enkelt atom kan udføre fleres arbejde

Din tur kan være beskeden - men hvis den brænder benzin, du har ædle metaller ombord. For at reducere forureningen ved udstødningsrøret, benzinbiler og lastbiler er i dag udstyret med katalysatorer, der indeholder platingruppemetaller såsom rhodium og palladium.

Efterspørgslen efter disse metaller stiger, efterhånden som lande over hele verden søger at sænke emissioner fra køretøjer, der accelererer klimaændringer og forværrer luftkvaliteten. I betragtning af at en enkelt ounce rhodium nu koster mere end $20, 000, det er ikke tilfældigt, at i hele USA, tyverier af katalysatorer er stigende.

En opdagelse fra videnskabsmænd fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og Washington State University kunne hjælpe med at reducere mængden af ​​dyre metaller, der er nødvendige for at behandle køretøjets udstødning ved at få mest muligt ud af hvert dyrebare atom. I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition, forskere viste succes med at reducere emissioner af kulilte og nitrogenoxid ved hjælp af mindst tre gange mindre rhodium sammenlignet med en typisk katalysator.

"Det, vi rapporterede her, er i modstrid med den konventionelle visdom om, at du har brug for rhodiumatomer, der støder op til hinanden, i form af en nanopartikel, at lave denne kemi, "sagde Yong Wang, en professor i kemiteknik ved Washington State University, der har en fælles ansættelse ved PNNL. "Vi fandt ud af, at et enkelt rhodiumatom kan gøre et endnu bedre stykke arbejde med at omdanne forurenende stoffer end en rhodiumnanopartikel."

Konvertering af det konventionelle

Arbejdet hos PNNL vedrører trevejskatalysatorer, opkaldt efter deres evne til at reducere kulilte, nitrogenoxid, og carbonhydrider såsom methan. Nitrogenoxid er en af ​​et sæt forurenende stoffer kendt som NO _x , komponenter af smog, der også indirekte bidrager til atmosfærisk opvarmning. Kulilte i høje koncentrationer er giftigt for mennesker. Inden i et køretøjs katalysator, disse katalysatorer opfanger og demonterer sådanne kemiske forbindelser, før de når udstødningsrøret. En tre-vejs katalysator vil omdanne NO _x til nitrogen og kulilte og kulbrinter til kuldioxid.

Efterbehandlingssystemer baseret på sådanne katalysatorer har været brugt i årtier med forbrændingsmotorer. Men ud over de skyhøje priser for ædle metaller til at bygge disse systemer, et andet problem truer med at sænke deres effektivitet. Efterhånden som køretøjer bliver mere brændstofeffektive, udstødningen er ikke så varm. Det er et problem for konventionelle katalysatorer, der er designet til at fungere inden for de høje temperaturer i ældre motorer - de virker simpelthen ikke så godt ved lavere temperaturer.

Det amerikanske energiministerium (DOE) har indgået et samarbejde med indenlandske bilproducenter for at imødegå udfordringen med at designe materialer, der kan konvertere 90 % af udstødningsemissionerne ved 150 grader Celsius (302 °F), som betragtes som "lav temperatur" i emissionskontrollens verden. Sådanne materialer skal også være stabile nok til at holde over miles og miles af rejser.

Isolerende atomer for øget reaktivitet og stabilitet

PNNL-undersøgelsen byggede på tidligere arbejde fra Wang og kolleger, hvor de "fangede" enkelte platinatomer på en støtte af ceriumdioxid, eller ceria - et pulver, der ofte bruges i keramik - ved at opvarme kombinationen til 800 grader Celsius (1, 472 °F). Ved så høje temperaturer, flydende metalatomer vil begynde at klæbe sammen, reducere deres katalytiske kræfter. Men i denne undersøgelse, platinatomerne blev fikseret til ceria-understøtningen i stedet for hinanden. Disse isolerede atomer reagerede med målstofferne mere effektivt, end hvis de var klumpet sammen.

Den nyere undersøgelse tog den samme atomfangende tilgang med rhodium. Katalysatorer med kun 0,1 vægtprocent atomisk spredt rhodium under modelbetingelser opfyldte DOE 150 grader Celsius -udfordringen, omdannelse af 100 % nitrogenoxid ved temperaturer helt ned til 120 grader Celsius.

"Begravet i den videnskabelige litteratur, der er rapporter fra 1970'erne, der viser, at isolerede rhodiumatomer kunne udføre denne reaktion, men disse eksperimenter blev udført i løsninger, og rhodiumatomerne var hydrotermisk ustabile, "sagde Konstantin Khivantsev og Janos Szanyi, PNNL-forskere, der ledede undersøgelsen med Wang. "Det, der inspirerede os, var denne nye tilgang til at lave atom-fangst ved høje temperaturer. Med det, vi var i stand til at vise for første gang, at enkelte rhodiumatomer kunne være både katalytisk aktive og stabile."

Forskerne udførte eksperimenter til undersøgelsen på Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), en national videnskabelig brugerfacilitet sponsoreret af DOE Biological and Environmental Research-programmet. De brugte forskellige typer billedbehandling i høj opløsning, inklusive Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR), transmissionselektronmikroskopi, og energidispersiv røntgenspektroskopi, at verificere, at rhodium-atomerne var spredt individuelt og reagerede effektivt med carbonmonoxid og nitrogenoxid.

Khivantsev, Szanyi, og Wang sagde, at deres resultater baner vejen for at gøre omkostningseffektive, stabil, og lavtemperaturkatalysatorer, der bruger rhodium langt mere effektivt end nuværende. Forskerne er også interesserede i at udvide metoden til andre mindre dyre katalytiske metaller som palladium og ruthenium.