В свете того, что автомобильные загрязнители способствуют снижению качества воздуха, правительства по всему миру устанавливают более строгие нормы выбросов для автомобилей. Это требует разработки более эффективных систем последующей обработки выхлопных газов (т.е. систем для "очистки" выхлопных газов перед их выбросом в атмосферу). Наиболее распространенным способом очистки выхлопных газов бензиновых двигателей внутреннего сгорания являются трехходовые катализаторы (TWCS) или каталитические нейтрализаторы. TWCS часто содержат активные металлы, такие как наночастицы платины (Pt) и палладия (Pd), и материалы для хранения кислорода с высокой удельной поверхностью, такие как твердый раствор CeO2- ЗРО2(CZ). Эти компоненты могут катализировать многочисленные реакции окисления и восстановления, которые могут превращать вредные выхлопные газы автомобильных двигателей в безвредные газы.
Долговечность, точность и производительность TWC зависят от таких факторов, как количество кислорода, хранящегося или удаляемого из объема и поверхности материалов для хранения кислорода. Таким образом, для повышения его эффективности необходимо четкое понимание переноса кислорода и динамики материала для хранения. К сожалению, существует нехватка методов, которые могли бы обеспечить прямое отслеживание процесса хранения кислорода в TWCs.
В недавнем прорыве, опубликованном в Журнал химической инженерии Однако группа исследователей во главе с доцентом Цуоши Нагасавой из Токийского технологического института (Tokyo Tech) представила решение проблемы. Команда разработала новую технику для прямой визуализации процесса накопления кислорода в Pd /CZ TWCs с использованием метода изотопной закалки. Профессор Нагасава объясняет: "Трудно получить ясность в динамических взаимодействиях, таких как адсорбция / десорбция кислорода и поверхностная / объемная диффузия, происходящих на поверхностях TWC, потому что их можно оценить только косвенно по изменению валентности церия в CZ или степени окисления благородного металла. Однако наш метод преодолевает эти проблемы, включив изотопную маркировку с тушением реакции, что позволяет нам исследовать процессы накопления кислорода путем отслеживания 18Изотоп O, участвующий в этих взаимодействиях."
Как был осуществлен этот метод изотопной закалки? Команда подготовила модель TWC, состоящую из драгоценного металла Pd и плотной подложки CZ, хранящейся 18O2 в нем при 600 °C, а затем закаливали катализатор с помощью двух гелиевых газовых форсунок, покрытых рубашкой водяного охлаждения. Затем они использовали масс-спектрометрию вторичных ионов высокого разрешения для анализа 18Распределение по поверхности и объему Pd/CZ.
Результаты показали, что Pd улучшает глубину диффузии 18O в объем CZ, а также его поверхностную концентрацию. Это также показало, что 18O преимущественно адсорбировался на границе раздела Pd/CZ по сравнению с центром Pd, где его концентрация была ниже. Расчеты теории функционала плотности также согласуются с этими наблюдениями.
Наконец, команда рассчитала локальные показатели выделения/хранения кислорода, сравнив 18Распределение запаха и моделирование выделения/хранения кислорода с использованием уравнения диффузии. Они обнаружили, что местные показатели были сопоставимы и соответствовали обычным измерениям емкости хранилища кислорода.
Этот новый процесс визуализации дает полезную информацию о механизмах накопления и высвобождения кислорода в системах металл / кислородные материалы и может быть использован для дальнейшего исследования и повышения производительности и экономичности TWCS, используемых для очистки выхлопных газов автомобилей. "Летучие органические соединения и оксиды азота и углерода, обычно образующиеся в двигателях внутреннего сгорания, если они выделяются без обработки, могут не только вызвать проблемы со здоровьем, связанные с дыханием, но и косвенно повлиять на ускорение глобального потепления. С помощью нашего исследования мы хотели внести свой вклад в мировую миссию по улучшению практики выбросов", - заключает профессор. Нагасава.
Комментарии