Systematisk undersøgelse løser debat om design af biludstødningskatalysator

Smogproducerende kemikalier kunne næsten fjernes fra udstødningsrørene på diesel- og varebiler ved hjælp af et nyt udstødningskatalysatorkoncept udviklet hos KAUST. Efter systematisk at have studeret flere katalysatorsammensætninger identificerede forskerholdet den ideelle atomopskrift til katalytisk at fjerne NO_x fra køretøjets emissioner. Resultaterne, offentliggjort i Nature Communications , løse en igangværende debat om additive atomer i katalysatorblandingen.

Den seneste udvikling inden for højeffektivt motordesign kræver sammen med strammere køretøjsemissionsregler forbedrede motorudstødningskatalysatorer. Nuværende generation NO_x katalysatorer til små dieselmotorer fungerer optimalt over 200 grader Celsius. Katalysatorer, der fungerer ved lavere temperaturer, er nu påkrævet. Sådanne katalysatorer skal hurtigt fjerne NO_x efter en koldstart og partner med nye lavtemperaturforbrændingsmotorer.

At udvikle en ny generation af forbedret NO_x katalysator, bilemissionskontrolfirmaet Umicore samarbejdede med et forskerhold fra KAUST Catalysis Center, ledet af Javier Ruiz-Martínez, for at optimere katalysatordesignet.

"Vi undersøgte materialer, der er baseret på mangan på grund af deres gode ydeevne og lave omkostninger," forklarer Ruiz-Martínez. Mangan-baseret NO_x katalysatorer har typisk brugt cerium som dopingmiddel, selvom der ikke var konsensus om ceriums rolle i NO_x fjernelse. "Den bedste måde at udvikle nye katalysatorer på er ved først at forstå, hvordan disse materialer fungerer," siger Ruiz-Martínez. Så holdet producerede en række katalysatorer, der inkorporerede varierende mængder cerium, for at afgøre debatten.

Holdet etablerede først metoder til at producere hver katalysator med en homogen nanostruktur for at muliggøre en sammenligning mellem dem. "Efter at have sikret os, at katalysatormaterialerne var, som vi designet, ledte vi efter sammenhænge mellem katalytisk aktivitet og mængden af ​​cerium og mangan," siger Ruiz-Martínez. Efter at have taget højde for forskelle i katalysatorens overfladeareal viste holdet, at tilstedeværelsen af ​​cerium sænkede den katalytiske aktivitet af manganatomerne.

I tidligere undersøgelser, hvor cerium havde vist sig at booste katalytisk NO_x fjernelse, forsvandt ceriums tilsyneladende positive effekt, når holdet havde indregnet dets indvirkning på katalysatorens overfladeareal. Ceriumet havde dog én fordel:at undertrykke en uønsket bireaktion, der producerer N₂ O. Som N₂ O-dannelse kræver sandsynligvis deltagelse af to tilstødende mangansteder, tilsætning af cerium kan fortynde antallet af overflademangansteder og dermed undertrykke reaktionen.

"Vores resultater viser, at designet af mere aktive katalysatormaterialer kræver maksimering af manganatomer på katalysatoroverfladen, og at disse manganatomer er atommæssigt fordelt for at undgå N₂ O-formation," siger Ruiz-Martínez. "Vi designer nu katalysatorer, der blotlægger mangan atomisk spredt på overfladen, og resultaterne er yderst lovende." + Udforsk yderligere

Mangan gør sit præg i stofsyntese