Fremtidige katalysatorer kan give mere valuta for pengene

Den næste generation af katalysatorer kan have længere levetid og har brug for færre sjældne materialer for at fungere, antyder en ny undersøgelse.

Katalysatorer omdanner skadelige gasser fra en bils udstødning, inklusive kulilte og andre forurenende stoffer, til damp og andre sikrere biprodukter, såsom kuldioxid og nitrogen.

En god katalysator kan holde i mere end et årti, men ifølge Cheng-Han Li, hovedforfatter af undersøgelsen, er der altid plads til forbedringer. Han sagde, at fremtidige katalytiske teknologier kunne designes til effektivt at skrubbe forurenende stoffer i en længere periode.

"Vi ønsker at have en bedre levetid for katalysatorer. Ellers skal de udskiftes eller vil ikke bestå regeringens emissionstest," sagde Li, der er doktorand i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Ohio State University.

Undersøgelsen blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Chemistry of Materials .

Afhængigt af hvor du bor, kan føderale emissionsstandarder variere. I 1975, for at bekæmpe det voksende smogproblem i byer over hele USA, vedtog kongressen lovgivning, der sagde, at alle køretøjer skulle have katalysatorer.

Selvom der er forskellige typer, bruger moderne katalysatorer en kombination af tre ædle metaller:palladium, platin og rhodium. Disse tre-vejs katalysatorer kan reducere nitrogenoxid (NO) og nitrogendioxid (NO₂ ) emissioner - to stoffer, som, hvis de sættes sammen, kan skabe NO_x , en kemisk forbindelse, der har både direkte og indirekte skadelige virkninger på menneskers sundhed.

Stigende priser på de tre ædle metaller – især rhodium – er grunden til, at kriminelle overalt har grebet til at stjæle katalysatorer. Findes oftest i flodsandet i Nord- og Sydamerika, rhodium betragtes som det sjældneste grundstof i verden og er mere værdifuldt end guld og platin.

"Omkostningerne til rhodium er steget dramatisk i løbet af de seneste år på grund af stigende efterspørgsel kombineret med et grundlæggende forsyningsunderskud," siger Li. Det betyder, at katalysatorer kan være dyre at lave og dobbelt dyre at udskifte.

Og da rhodium-baserede katalysatorer er en mangelvare, er det bydende nødvendigt, at de udnyttes så effektivt som muligt. Fordi katalysatorerne har været kendt for at deaktivere ved høje temperaturer, har forskere undersøgt, hvordan deres ydeevne ændrer sig over tid i nærvær af høj varme.

For at gøre dette udførte Li's team adskillige tests på konverterne, herunder at få dem til at tåle temperaturer højere end 1600 grader Fahrenheit. Mens rigtige katalysatorer sjældent overstiger sådanne forhold i en kørende bil, kan de opleve disse temperaturer i det mindste lejlighedsvis i løbet af deres levetid, især når konverterne bliver ældre.

Forskere brugte et transmissionselektronmikroskop til at studere mikrostrukturerne af trevejskatalysatorerne på atomniveau, og hvordan de blev påvirket af varmen. "Ved at observere mikrostrukturen kan vi skabe forbindelsen mellem høj varme, konverterens reelle ydeevne og dens mikrostruktur," sagde Li.

Li bemærkede, at rhodiumkatalysatorer understøttes af oxider som aluminiumoxid og ceria-zirconiumoxid, som hjælper med at stabilisere dem.

Ved høj varme med oxygen opløses rhodium i aluminiumoxidet og nedbrydes til den stabile opløsning rhodiumaluminat. Denne opløsning er imidlertid kemisk inaktiv, hvilket betyder, at den ikke kan skrubbe skadelige forurenende stoffer og gasser væk, hvilket gør enheden effektivt ubrugelig.

Men det er reversibelt.

Når det udsættes for brint, bliver noget af rhodium aktivt igen, men ikke nær nok til at bringe katalysatoren tilbage til sin tidligere effektivitet.

Undersøgelsens resultater konkluderede, at etablering af et nyt design, der forhindrer dannelsen af ​​rhodiumaluminat, på længere sigt kunne hjælpe med at få mest muligt ud af disse enheder. Denne dybdegående forståelse af enhedens struktur kan også hjælpe med at informere om bedre design til fremtidige katalysatorer.

"Vores resultater giver bilfabrikanterne en specifik retning at følge for at optimere brugen af ​​rhodiumbaserede katalysatorer," sagde Li.

Medforfattere var Jason Wu, Andrew Bean Getsoian og Giovanni Cavataio fra Ford Motor Company og Joerg Jinschek, en lektor i materialevidenskab og teknik ved Ohio State. + Udforsk yderligere

For at reducere forurening af køretøjer kan et enkelt atom udføre arbejdet med flere