Moderne auto's vertrouwen op katalysatoren om koolmonoxide te verwijderen, koolwaterstoffen en andere schadelijke chemicaliën uit uitlaatemissies.

Om dit te doen, vertrouwen ze op kostbare metalen die speciale chemische eigenschappen hebben die in de loop van de tijd in effectiviteit verminderen. Universitair docent Matteo Cargnello en promovendus Emmett Goodman leidden onlangs een team dat een nieuwe manier heeft voorgesteld om de kosten te verlagen en de levensduur van deze materialen te verlengen. het oplossen van een probleem dat auto-ingenieurs jarenlang heeft gekweld. In het proces, Cargnello en collega's hebben iets opmerkelijks gedaan:een doorbraak gemaakt in een volwassen veld waar verandering langzaam komt, als al.

Hoe zit het met de katalysatoren die moeten worden verbeterd?

Een nieuwe katalysator kan $1 kosten, 000 of meer, waardoor het een van de duurste afzonderlijke onderdelen op elke auto is. Ze zijn duur omdat ze dure metalen zoals palladium gebruiken om de chemische reacties te bevorderen die de uitlaat reinigen. Palladium kost ongeveer $ 50 per gram - meer dan goud - en elke katalysator bevat ongeveer 5 gram ervan. Metalen zoals palladium zijn katalysatoren - een speciale klasse van materialen die chemische reacties versnellen, maar zelf niet chemisch veranderen. In theorie, katalysatoren kunnen steeds opnieuw worden gebruikt, voor onbepaalde tijd. In praktijk, echter, de prestaties van katalysatoren nemen in de loop van de tijd af. Compenseren, we zijn gedwongen om vooraf meer van deze dure metalen te gebruiken, toevoegen aan de kosten. Ons doel is om de oorzaken van deze degradatie beter te begrijpen en hoe deze tegen te gaan.

Waarom gaan katalysatoren slecht?

Ideaal, katalysatoren moeten zo worden ontworpen dat ze een zo groot mogelijk oppervlak hebben om het grootste aantal chemische reacties te bevorderen. Dus, fabrikanten verspreiden doorgaans veel kleine deeltjes over het oppervlak van een nieuwe katalysator. Uit eerder onderzoek weten we dat, overuren, de metaalatomen beginnen te bewegen, het vormen van grotere en grotere deeltjes die minder oppervlakte bieden, en dus minder effectief worden. We noemen dit klonteringsproces 'sinteren'. Om sinteren tegen te gaan, fabrikanten gebruiken buitensporige hoeveelheden metaal, zodat de convertor voldoet aan de emissienormen voor de levensduur van een auto van 10 of 15 jaar. Ons team heeft ontdekt dat sinteren niet de enige oorzaak van deactivering is. In feite, dit nieuwe deactiveringsmechanisme blijkt precies het tegenovergestelde van sinteren. Onder bepaalde omstandigheden, in plaats van dat deeltjes groter worden, ze vallen uiteen in kleinere deeltjes en worden uiteindelijk enkele atomen die in wezen inactief zijn. Dit is een nieuw begrip waarvan we denken dat niemand het eerder heeft gepresenteerd, en het zette ons ertoe aan op zoek te gaan naar een geheel nieuwe manier om de levensduur en prestaties van de metalen in katalysatoren te maximaliseren.

Wat kunnen we doen om ervoor te zorgen dat katalysatoren langer meegaan?

Ons onderzoek suggereert dat als we zowel de grootte als de afstand tussen metaaldeeltjes zorgvuldig controleren, palladiumdeeltjes zullen niet in grote klonten sinteren en ook niet uiteenvallen in afzonderlijke atomen. Eerder, veel mensen in de katalysegemeenschap dachten dat als je deeltjes stabiel wilt maken, je moest ze zo ver mogelijk uit elkaar houden om migratie van de deeltjes te voorkomen. We brachten dit idee in de war door een samenwerkend team samen te brengen dat degradatie op een nieuwe manier bestudeerde. Aaron Johnston-Peck van het National Institute of Standards and Technology gebruikte geavanceerde microscopie om de aanwezigheid van de afzonderlijke atomen te visualiseren. Simon Bare van het SLAC National Accelerator Laboratory gebruikte röntgentechnieken om te bewijzen dat katalytische materialen beginnen als deeltjes en eindigen als afzonderlijke atomen. Om deze experimentele resultaten in een theoretisch kader te plaatsen, we werkten samen met Frank Abild-Pedersen van het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis en SLAC, en Philipp Plessow van het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland. Ze hadden de rekenkracht om ons te helpen het deactiveringsmechanisme op atomaire schaal te simuleren. Uiteindelijk, we hebben een wetenschappelijke basis geleverd die het mogelijk zou kunnen maken om de vervuiling te verminderen, terwijl we minder edelmetaal gebruiken en de kosten van katalysatoren verlagen. Als auto-ingenieurs deze bevindingen uiteindelijk bevestigen en implementeren, het zou op de lange termijn een enorme overwinning zijn voor de consument.