Каталізатор вихлопної системи змусили працювати всього при 150 градусах

Хіміки розробили новий каталізатор для переробки автомобільних вихлопів на основі платини та оксиду церію. Стовідсоткової конверсії чадного газу на такому каталізаторі вдається домогтися при 150 градусах Цельсія, що приблизно на 100 градусів нижче, ніж у всіх сучасних каталітичних системах, пишуть вчені в.

Щоб підвищити ефективність роботи автомобільних двигунів, інженери прагнуть звести до мінімуму кількість енергії, що йде в навколишнє середовище. Це призводить до того, що і температура вихлопних газів постійно знижується. Зниження температури, в свою чергу, ускладнює роботу каталізаторів в автомобільних конвертерах, за допомогою яких шкідливі компоненти вихлопів перетворюються в більш безпечні для атмосфери і здоров'я людини гази. Тому проблема розробки матеріалу, що дозволяє окислювати чадний газ при помірних температурах (до 200 градусів Цельсія) - одна з важливих проблем сучасної хімії каталізаторів.

Щоб можна було окисляти оксид вуглецю при потрібних температурах, хіміки з Китаю і США під керівництвом Юн Вана (Yong Wang) з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії запропонували використовувати новий тип каталізатора на основі платини та оксиду церія. Цей матеріал відноситься до відносно нового типу каталізаторів на окремих атомах. Він складається з активних атомів платини, рівномірно розподілених по поверхні оксиду церія (за допомогою схожого каталізатора, в якому атоми платини розподілені по поверхні мідної підкладки, можна, наприклад, гідрувати неподільні вуглеводні).

Для того, щоб цей каталізатор працював, його спочатку при 750 градусах активували за допомогою обробки в гідротермальних умовах. При активації атом платини вбудовується на місце церія в поверхневому шарі. Автори роботи зазначають, що подібну методику активації каталізатора часто використовують у цеолітних матеріалах, але для каталізаторів на окремих атомах його можна використовувати лише дуже акуратно і в окремих випадках, щоб не допустити утворення металевих наночастинок.

Завдяки такій активації кисневі вакансії виходять на поверхню каталізатора, і в них вбудовуються молекули води. У результаті система з двома атомами водню легше адсорбує молекули чадного газу і кисню, і здійснює реакцію 2CO + O₂  2CO₂.

Це призводить до того, що температура, при якій відбувається повна конверсія чадного газу (тобто весь чадний газ перетворюється на вуглекислий) знижується з 320 градусів Цельсія до 148. Окремо вчені зазначають, що під час каталізу не відбувається дезактивації каталізатора основними або побічними продуктами реакції. При цьому каталізатор продовжує працювати і при підвищенні температури (аж до температури активації в 750 градусів), не піддаючись механічній і хімічній деградації і не знижуючи своєї ефективності.

Автори роботи зазначають, що для ефективної роботи такого каталізатора необхідна наявність молекул води в реакційній суміші, проте в автомобільних вихлопних газах вони завжди присутні. При цьому, крім реакцій конверсії чадного газу такий каталізатор виявляється ефективним і для окислення інших компонентів вихлопів: насичених і ненасичених вуглеводнів та оксидів азоту. На думку хіміків, такі каталізатори вже найближчим часом можуть вийти на промислове виробництво.

Оксид церія в якості каталізатора для реакцій за участю кисню використовується досить часто, але повністю пояснити його ефективність вченим до недавнього часу не вдавалося. Лише нещодавно хіміки змогли описати виграш енергії в процесі каталітичної реакції за допомогою введення нового виду конфігураційної анізотропії.