Хотя большая часть разговоров о снижении выбросов транспортных средств сосредоточена на электромобилях (EV), их продажи остаются низкими - на электромобили приходится всего 1% покупок автомобилей в Японии в 2021 году. Между тем, ожидается, что в ближайшем будущем Европейский союз примет более строгие стандарты выбросов. Это делает повышение производительности и функциональности катализаторов очистки выхлопных газов в автомобилях, работающих на бензине или дизельном топливе, важнейшим компонентом в стремлении к углеродной нейтральности.
Почти все бензиновые или дизельные автомобили оснащены каталитическими нейтрализаторами, которые удаляют вредные углеводороды, монооксид углерода и оксид азота и преобразуют их в более безопасные газы, такие как азот, двуокись углерода и водяной пар. Токсичные газы проходят через ячеистую структуру, покрытую катализаторами очистки выхлопных газов.
Керамика с емкостью для хранения кислорода (OSC) играет решающую роль в процессе очистки. Они помогают удалять вредные газы и предотвращают огрубение драгоценных металлов в каталитических нейтрализаторах, что ухудшает их способность к очистке.
Однако для повышения их потенциала требуется более низкая рабочая температура. Но ученые изо всех сил пытались достичь этого, поскольку снижение температуры до менее чем 500 ºC приводит к замедлению диффузии ионов.
Теперь исследовательская группа из Высшей инженерной школы университета Тохоку разработала оксид на основе церия и циркония (Ce-Zr) с превосходным OSC при 400 ºC, контролируя его кристаллическую структуру. OSC при 400 ºC был выше, чем у обычных материалов, в 13,5 раза, даже без катализаторов из драгоценных металлов.
"Ключом к нашему успеху было введение небольшого количества переходных металлов, таких как железо, в оксиды на основе Ce-Zr", - сказал профессор Хитоси Такамура, руководитель исследовательской группы.
"Легирование переходными металлами" имело два заметных эффекта в оксидах. Это ускорило диффузию кислорода, ослабив образование кислородных вакансий, и способствовало упорядочению катионов.
"Упорядочение катионов приводит в порядок кристаллическую структуру и способствует легкому выделению кислорода", - объяснил Такамура.
Легирование железом снизило температуру упорядочения катионов, что, в свою очередь, позволило увеличить площадь поверхности оксидов на основе Ce-Zr. Это повысило их долговечность и способность очищать токсичные газы.
В будущем Такамура и его группа надеются протестировать материал, загрузив его палладием на сотовые подложки.
Подробности исследования группы были опубликованы в Журнал химии материалов A 27 сентября 2022 года. И статья была выбрана для обложки журнала.
Комментарии