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PNNL科学家发现新方法 可减少处理汽车尾气所需的昂贵金属

岚风殇 2021-08-20 16:54:16

为了减少排气管污染,当今的汽油汽车和卡车都配备了含有铂族金属(如铑和钯)的催化转化器。而随着世界各国不断寻求降低车辆排放,以应对气候变化和恶化的空气质量,市场对这些金属的需求不断增加。


太平洋西北国家实验室(PNNL)和华盛顿州立大学(Washington State University)的科学家们发现,通过充分利用每一个昂贵金属原子,可以减少处理汽车尾气所需的金属的数量。在期刊《Angewandte Chemie International Edition》发表的一项研究中,研究人员证明,与典型催化剂相比,使用约三分之一的铑可以成功减少一氧化碳和氮氧化物的排放。

PNNL科学家发现新方法 可减少处理汽车尾气所需的昂贵金属

(图片来源:太平洋西北国家实验室)


华盛顿州立大学化学工程教授Yong Wang表示:“传统的方法是相邻的铑原子形成纳米粒子发生反应,而此次的发现与该观点不同,我们发现,与铑纳米粒子相比,单个铑原子可以更好地转化污染物。”


转换常规


在转化过程中,如果催化剂能同时对一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物(如甲烷等)三种有害物起催化净化作用,这种催化剂就称为三效催化剂。而PNNL的研究就与三效催化剂有关。氮氧化物是一组被称为NOx的污染物之一,是烟雾的主要成分,会间接导致大气变暖。而高浓度的一氧化碳对人体有毒。在车辆的催化转化器中,三效催化剂可在这些化合物到达排气管之前拦截并分解它们,即可以将氮氧化物转化为氮气,将一氧化碳和碳氢化合物转化为二氧化碳。


在内燃机中使用基于三效催化剂的后处理系统已经有几十年了。但是,除了用于构建这些系统的贵金属价格飞涨之外,其功效也存在问题。随着车辆变得更加省油,排气热量也不断降低。而传统催化剂需要在高温下工作,因此热量降低会使其无法正常发挥作用。


美国能源部(DOE)与国内汽车制造商合作,以设计出能够在150℃下转化90%尾气排放的材料。在排放控制领域,150℃已经算得上“低温”了。此外,这些材料还必须足够稳定,从而支持数英里的出行。


分离原子以提高反应性和稳定性


PNNL研究建立在Wang教授及其同事的早期工作基础上。通过将混合物加热至800℃,研究人员“捕获”到在二氧化铈或铈土(一种常用于陶瓷中的粉末)载体上的单个铂原子。而在如此高的温度下,漂浮的金属原子会开始粘在一起,从而降低催化能力。但在这项研究中,铂原子固定在氧化铈载体上,而不是彼此固定。这些孤立的原子与目标物质的反应会比它们聚集在一起时更有效。


最近,还有研究对铑采用了相同的原子捕获方法。在满足美国能源部150℃挑战的模型条件下,催化剂中只有0.1%重量的原子分散铑,但在120℃的温度下,可转化100%的氮氧化物。


PNNL研究人员Konstantin Khivantsev和Janos Szanyi表示:“20世纪70年,有报道表明,孤立的铑原子可以进行这种反应,但这些实验是在溶液中进行的,而且铑原子在水热中不稳定。真正启发我们的是这种在高温下进行原子俘获的新方法。这样,我们首次证明单个铑原子既可以具有催化活性又可以稳定。”


研究人员在环境分子科学实验室(Environmental Molecular Sciences Laboratory,EMSL)进行了这项研究的实验,该实验室是由美国能源部生物和环境研究计划赞助的国家科学用户设施。研究人员使用各种类型的高分辨率成像,包括傅里叶变换红外光谱(FTIR)、透射电子显微镜和能量色散X射线光谱,以验证铑原子是单独分散的,并与一氧化碳和氮氧化物有效反应。


Khivantsev、Szanyi和Wang表示,此次研究结果为制造成本效益高、稳定且低温的催化剂提供了新方法,从而可大大提高铑的使用效率,远高于当前其他方法。科学家们还计划将该方法扩展到其他较便宜的催化金属,如钯和钌。


来源:盖世汽车

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