Nanoteknologi lover bedre katalysator

(PhysOrg.com) - Kontrol over materialegenskaber ville reducere den nødvendige mængde platin.

De giftige biprodukter, der opstår, når en bils motor forbrænder brændstof, føres ind i katalysatoren, hvor kemiske reaktioner gør dem til meget mindre giftige stoffer som vand og kuldioxid.

Katalysatoren, der sænker aktiveringsenergien for disse kemiske reaktioner, så de kan finde sted ved rimelige temperaturer og hastigheder er normalt platin, et af verdens sjældneste og mest ædle metaller. Fordi platin er så dyrt, bilproducenter ønsker at bruge så lidt som muligt, og at bruge det så effektivt som muligt.

For at maksimere sit specifikke overfladeareal (overfladeareal pr. Masseenhed) og derfor dets kemiske aktivitet, producenter dækker en keramisk understøtning med små partikler af platin. Men når konverteren bliver varm, platinaggregaterne, danner store klumper, der ikke kan udføre afgiftningsreaktionerne lige så effektivt. For at kompensere for tabet af effektivitet, omformere skal indeholde mere platin, et knappe metal, der er dårligt behov for andre ren energi-applikationer, såsom brændselsceller.

Et model katalytisk system, beskrevet online i denne uge af German Chemical Society's Journal Angewantde Chemie International Edition, forhindrer platin i at aggregeres, så der er behov for mindre for hver konverter.

Systemet blev udtænkt af et team af forskere, herunder Younan Xia, Ph.d., James M. McKelvey Professor i biomedicinsk teknik på School of Engineering and Applied Science ved Washington University i St. Louis. Holdet omfatter også Charles T. Camvell, Phd, Lloyd E. og Florence M. West professor i kemi ved University of Washington i Seattle og Paul T. Fanson, Ph.d., en kemiker hos ToyotaToyota Motor Engineering &Manufacturing North America i Ann Arbor.

Den centrale udvikling er at belægge platin nanopartikler med et porøst silica lag. På grund af dets svage interaktion med platin, silica -belægningen giver en energibarriere, der holder platinet på plads, selv ved meget høje temperaturer, forhindrer aggregering og opretholder katalytisk aktivitet.

Det første trin i at lave det nye system er at indlæse titandioxid nanofibre med platin nanopartikler. Denne støtte gør platinkatalysatoren mere aktiv ved at tilvejebringe yderligere elektroner til nogle af de afgiftende reaktioner. De fyldte fibre coates derefter med silica indeholdende et organisk poregenererende middel, som derefter blev fjernet ved opvarmning til 350 grader C for at skabe porøse kapper.

"Det er meget vanskeligt at gøre denne form for belægning tynd nok og porøs nok, så du ikke rigtig påvirker platinkatalysatorens aktivitet. Så det er en stor udvikling, ”Siger Xia.

Eksperimenter viste derefter, at den siliciumovertrukne platin fastholdt sin katalytiske evne ved meget højere temperaturer end uovertrukket platin, som begyndte at aggregeres ved temperaturer helt ned til 350 grader C.

Yunqian Dai, hovedforfatteren på papiret og en gæstende kandidatstuderende fra Kina, siger, at denne udvikling "vil forbedre termostabiliteten" af platinkatalysatorer, selv om det endnu ikke er klart, om det vil føre til nye design af katalysatorer.

”Det ser ud til, at vi kan køre disse op til 750 grader uden nogen større bymasse, ”Siger Xia. “Den typiske temperatur for en katalysator er omkring 550, så i den forstand, det skal kunne holde i længere tid. ”

Dernæst til Xia's te, er at studere katalytiske systemer med forskellige sammensætninger, såsom aluminiumoxid frem for silica -beklædning.

Platin er så dyrt, Xia siger, omformerne bliver undertiden stjålet, og det er økonomisk at genbruge gamle for at genvinde ædle metaller. Målet med hans forskning, imidlertid, er at bruge meget mindre platin, så biler koster mindre og mere af metallet er tilgængeligt til andre formål.