Катализатор выхлопной системы заставили работать всего при 150 градусах

Xимики рaзрaбoтaли нoвый кaтaлизaтoр для пeрeрaбoтки aвтoмoбильныx выxлoпoв нa   oснoвe плaтины и   oксидa цeрия. Стoпрoцeнтнoй кoнвeрсии угaрнoгo гaзa нa   тaкoм кaтaлизaтoрe удaeтся дoбиться при 150   грaдусax Цeльсия, чтo примeрнo нa   100 грaдусoв нижe, чeм вo   всex сoврeмeнныx кaтaлитичeскиx систeмax, пишут учeныe в   Science.

Чтoбы пoвысить эффeктивнoсть рaбoты aвтoмoбильныx двигaтeлeй, инжeнeры стрeмятся свeсти к   минимуму кoличeствo энeргии, уxoдящeй в   oкружaющую срeду. Этo привoдит к   тoму, чтo и   температура выхлопных газов постоянно снижается. Снижение температуры, в   свою очередь, затрудняет работу катализаторов в   автомобильных конвертерах, с   помощью которых вредные компоненты выхлопов преобразуются в   более безопасные для атмосферы и   здоровья человека газы. Поэтому проблема разработки материала, позволяющего окислять угарный газ при умеренных температурах (до   200 градусов Цельсия)   — одна из   важных проблем современной химии катализаторов.

Чтобы можно было окислять оксид углерода при нужных температурах, химики из   Китая и   США под руководством Юн   Вана (Yong Wang) из   Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории предложили использовать новый тип катализатора на   основе платины и   оксида церия. Этот материал относится к   относительно новому типу катализаторов на   отдельных атомах. Он состоит из   активных атомов платины, равномерно распределенных по   поверхности оксида церия (с   помощью похожего катализатора, в   котором атомы платины распределены по   поверхности медной подложки, можно, например, гидрировать непредельные углеводороды).

Атомная структура катализатора CeO2/Pt, полученная с помощью просвечивающей электронно микроскопии. Полосы на фоне   — слои оксида церия. Кружками обведены отдельные атомы платины. L. Nie et al./ Science,   2017

Для того, чтобы этот катализатор работал, его сначала при 750   градусах активировали с помощью обработки в гидротермальных условиях. При активации атом платины встраивается на   место церия в   поверхностном слое. Авторы работы отмечают, что подобную методику активации катализатора часто используют в цеолитных материалах, но для катализаторов на отдельных атомах его можно использовать лишь очень аккуратно и в отдельных случаях, чтобы не допустить образования металлических наночастиц.

Благодаря такой активации кислородные вакансии выходят на поверхность катализатора, и в них встраиваются молекулы воды. В результате образовавшаяся система с двумя атомами водорода легче адсорбирует молекулы угарного газа и кислорода, и осуществляет реакцию 2CO + O2 → 2CO2.

Изменение структуры поверхности катализатора в процессе гидротермальной обработки. На графике приведены температурные зависимости свободной энергии двух химических структур, которые пересекаются при температуре активации катализатора. L. Nie et al./ Science,   2017

Это приводит к   тому, что температура, при которой происходит полная конверсия угарного газа (то   есть весь угарный газ превращается в   углекислый) снижается с   320 градусов Цельсия до   148. Отдельно ученые отмечают, что во   время катализа не   происходит дезактивации катализатора основными или побочными продуктами реакции. При этом катализатор продолжает работать и при повышении температуры (вплоть до температуры активации в 750   градусов), не подвергаясь механической и   химической деградации и не снижая своей эффективности.

Авторы работы отмечают, что для эффективной работы такого катализатора необходимо наличие молекул воды в реакционной смеси, однако в автомобильных выхлопных газах они всегда присутствуют. При этом, кроме реакций конверсии угарного газа такой катализатор оказывается эффективным и для окисления других компонентов выхлопов: насыщенных и ненасыщенных углеводородов и оксидов азота. По мнению химиков, такие катализаторы уже в ближайшее время могут выйти на промышленное производство.

Оксид церия в   качестве катализатора для реакций с   участием кислорода используется довольно часто, но полностью объяснить его эффективность ученым до недавнего времени не удавалось. Лишь недавно химики смогли описать выигрыш энергии в процессе каталитической реакции с помощью введения нового вида конфигурационной анизотропии.

Автор: Александр Дубов

Комментарии и уведомления в настоящее время закрыты..

Комментарии закрыты.