В статье, опубликованной в журнале Nature, международная группа исследователей обнаружила, что горячий автомобильный выхлоп, содержащий оксиды азота и монооксид углерода, вызывает ранее неизвестную реакцию, которая при активном использовании может значительно улучшить каталитическую активность. Катализаторы - это вещества, которые увеличивают скорость химических реакций.

Исследователи обнаружили, что горячие выхлопные газы стимулируют частицы церия, одного из компонентов каталитических материалов, образовывать двумерные наноразмерные кластеры. Эти скопления, плотно покрывающие поверхность, создают множество участков, где могут происходить химические реакции, повышая эффективность процесса. Этот метод также создает большое количество слабосвязанных ионов кислорода, связанных с атомами церия, которые могут легко перемещаться и дополнительно улучшать многие распространенные каталитические реакции, требующие либо добавления, либо удаления кислорода.

"Они действуют как кислородная губка, и как только кислород легко активируется, он очень полезен для многих реакций, требующих кислорода, таких как окисление углеводородов и монооксида углерода", - сказал Йонг Ванг, один из авторов исследования и регентский профессор Школы генетики Университета штата Вашингтон и Линды Войланд. Химическая инженерия и биоинженерия. "Это обеспечивает лучшую конструкцию катализатора для множества реакций".

По счастливой случайности было обнаружено, что новый метод обработки улучшает каталитическую активность примерно в десять раз.

"Удача была одним из факторов в этом. Иногда мы просто натыкаемся на великое научное открытие. В то же время это представляет практический интерес", - сказал Ван, который также проводит совместную встречу с Тихоокеанской Северо-Западной национальной лабораторией.

Исследователи постоянно пытаются усовершенствовать каталитические нейтрализаторы и другие технологии контроля выбросов. С течением срока службы эти технологии удаления загрязняющих веществ из выхлопных газов автомобилей или электростанций становятся менее эффективными. Производителям приходится добавлять в конвертер дополнительные количества редких и дорогих металлов, таких как родий, платина или палладий, чтобы компенсировать деградацию катализатора и соответствовать требуемым нормам выбросов.

Одна из загадок, которая на протяжении многих лет озадачивала промышленность, заключается в том, что, хотя известно, что наноразмерные металлические материалы в каталитических нейтрализаторах "спекаются", или слипаются в более крупные частицы, и со временем становятся неэффективными при воздействии очень горячих и суровых условий выхлопного пара, каталитические нейтрализаторы каким-то образом все еще работают лучше, чем ожидаемо.

"Если вы посмотрите на увеличение размера частиц церия, то можно было бы ожидать снижения активности по меньшей мере в сто раз, но это не так", - сказал Константин Хиванцев, штатный научный сотрудник и инженер-химик Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL) и автор-корреспондент. "Существует процесс, который не был обнаружен или признан, но он способствовал улучшению диспергирования и каталитической активности".

Исследователи, в том числе из WSU, PNNL, Университета Нью-Мексико, Софийского университета в Болгарии и Университета Пердью, решили искусственно состарить катализатор, чтобы изучить его. Однако вместо того, чтобы использовать только воду, что является типичным компонентом тестов на старение, они решили в течение нескольких часов подвергать катализатор воздействию очень горячих автомобильных выхлопных газов. Они заметили, что производительность катализатора скорее улучшилась, чем ухудшилась.

"Итак, это часть удовольствия от проведения исследований, потому что интуиция подсказывала нам, что катализатор деактивируется, а результаты были совершенно противоположными", - сказал Абхайя Датье, заслуженный профессор Университета Нью-Мексико и автор-корреспондент. "Затем мы спросили себя, реально ли это, и повторили эксперимент несколько раз. Следующим шагом было разобраться с наукой".

Они обнаружили, что каталитические нейтрализаторы разлагаются не так быстро, как ожидалось, потому что горячие выхлопные газы автомобилей, о чем не знали исследователи в этой области, на самом деле иногда способствовали реакциям короткими вспышками, когда выхлопные газы автомобилей имели особенно высокие температуры. С точки зрения практического воздействия, исследователи теперь хотят использовать процесс обработки целенаправленно - предварительно активируя катализатор и намеренно формируя реакционноспособное состояние в начале срока службы катализатора.

Новая технология обработки может позволить сократить количество драгоценных металлов, таких как родий, необходимых в катализаторе, что обеспечит значительную экономию затрат. Каталитические нейтрализаторы в автомобиле обычно содержат родий стоимостью около 800 долларов.

"В отработанных катализаторах атомарно тонкие частицы церия, которые образуются при диспергировании наночастиц церия, находятся в контакте с драгоценными металлами, такими как родий и платина", - сказал Янош Шаньи, автор-корреспондент и штатный научный сотрудник PNNL. "Это позволяет катализаторам выдерживать суровые температурные условия выхлопных газов автомобилей и при этом сохранять свою активность".

Исследователи тестировали свою обработку катализатором в лабораторных условиях. Они также сотрудничают с промышленными партнерами, чтобы протестировать их на автомобилях в реальных условиях эксплуатации. Работа опиралась на фундаментальную науку, которая была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, фундаментальными энергетическими науками, научной программой по катализу. Исследование, проведенное PNNL, было поддержано Управлением по энергоэффективности и технологиям транспортных средств с использованием возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.