Uw rit mag dan een bescheiden rit zijn, maar als er benzine op verbrandt, u heeft edele metalen aan boord. Om de vervuiling bij de uitlaat te verminderen, benzineauto's en vrachtwagens zijn tegenwoordig uitgerust met katalysatoren die metalen uit de platinagroep bevatten, zoals rhodium en palladium.

De vraag naar deze metalen neemt toe nu landen over de hele wereld proberen de uitstoot van voertuigen te verlagen die de klimaatverandering versnellen en de luchtkwaliteit verslechteren. Aangezien een enkele ounce rhodium nu meer dan $ 20 kost, 000, het is geen toeval dat in de Verenigde Staten, diefstallen van katalysatoren nemen toe.

Een ontdekking door wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en de Washington State University zou kunnen helpen de hoeveelheid dure metalen die nodig is om uitlaatgassen van voertuigen te behandelen te verminderen door elk kostbaar atoom optimaal te benutten. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie Internationale Editie, onderzoekers toonden succes in het verminderen van de uitstoot van koolmonoxide en stikstofoxide met behulp van ten minste drie keer minder rhodium in vergelijking met een typische katalysator.

"Wat we hier meldden, is in tegenspraak met de conventionele wijsheid dat je rhodiumatomen naast elkaar nodig hebt, in de vorm van een nanodeeltje, om deze chemie te doen, " zei Yong Wang, een hoogleraar chemische technologie aan de Washington State University met een gezamenlijke aanstelling bij PNNL. "We ontdekten dat een enkel rhodiumatoom nog beter verontreinigende stoffen kan omzetten dan een rhodium-nanodeeltje."

Het conventionele omzetten

De werkzaamheden bij PNNL hebben betrekking op driewegkatalysatoren, genoemd naar hun vermogen om koolmonoxide te verminderen, stikstofoxide, en koolwaterstoffen zoals methaan. Stikstofoxide is een van een reeks verontreinigende stoffen die bekend staat als NO _x , componenten van smog die ook indirect bijdragen aan de opwarming van de aarde. Koolmonoxide in hoge concentraties is giftig voor de mens. Binnen de katalysator van een voertuig, deze katalysatoren onderscheppen en ontmantelen dergelijke chemische verbindingen voordat ze de uitlaat bereiken. Een driewegkatalysator zal NO . omzetten _x in stikstof en koolmonoxide en koolwaterstoffen in kooldioxide.

Nabehandelingssystemen op basis van dergelijke katalysatoren worden al tientallen jaren gebruikt bij verbrandingsmotoren. Maar naast de torenhoge prijzen voor edele metalen om deze systemen te bouwen, een ander probleem dreigt hun werkzaamheid te verminderen. Naarmate voertuigen zuiniger worden, de uitlaat is niet zo heet. Dat is een probleem voor conventionele katalysatoren die zijn ontworpen om te werken bij de hoge temperaturen van oudere motoren - ze werken gewoon niet zo goed bij lagere temperaturen.

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) werkt samen met binnenlandse autofabrikanten om de uitdaging aan te gaan om materialen te ontwerpen die 90% van de uitlaatemissies kunnen omzetten bij 150 graden Celsius (302 °F), wat in de wereld van emissiebeheersing als "lage temperatuur" wordt beschouwd. Dergelijke materialen moeten ook stabiel genoeg zijn om kilometers te kunnen reizen.

Isolatie van atomen voor verhoogde reactiviteit en stabiliteit

De PNNL-studie bouwde voort op eerder werk van Wang en collega's, waarbij ze enkele platina-atomen "vasthielden" op een drager van ceriumdioxide, of ceria - een poeder dat vaak in keramiek wordt gebruikt - door de combinatie te verhitten tot 800 graden Celsius (1, 472 °F). Bij zulke hoge temperaturen zwevende metaalatomen zullen aan elkaar gaan kleven, hun katalysatorvermogen verminderen. Maar in deze studie de platina-atomen werden vastgemaakt aan de ceria-ondersteuning in plaats van aan elkaar. Deze geïsoleerde atomen reageerden effectiever met de doelstoffen dan wanneer ze waren samengeklonterd.

De nieuwere studie nam dezelfde benadering van het vangen van atomen met rhodium. Katalysatoren met slechts 0,1 procent gewicht atomair gedispergeerd rhodium onder modelomstandigheden voldeden aan de DOE 150 graden Celsius-uitdaging, het omzetten van 100% stikstofoxide bij temperaturen zo laag als 120 graden Celsius.

"Begraven in de wetenschappelijke literatuur, er zijn rapporten uit de jaren 70 die aantonen dat geïsoleerde rhodiumatomen deze reactie zouden kunnen uitvoeren, maar die experimenten werden gedaan in oplossingen, en de rhodiumatomen waren hydrothermisch onstabiel, " zeiden Konstantin Khivantsev en Janos Szanyi, PNNL-onderzoekers die samen met Wang het onderzoek leidden. "Wat ons inspireerde was deze nieuwe benadering om atoomvangst bij hoge temperaturen te doen. we konden voor het eerst aantonen dat enkele rhodiumatomen zowel katalytisch actief als stabiel kunnen zijn."

De onderzoekers voerden experimenten uit voor het onderzoek bij het Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), een nationale wetenschappelijke gebruikersfaciliteit gesponsord door het DOE Biological and Environmental Research-programma. Ze gebruikten verschillende soorten beeldvorming met hoge resolutie, inclusief Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR), transmissie elektronenmicroscopie, en energiedispersieve röntgenspectroscopie, om te verifiëren dat de rhodiumatomen afzonderlijk waren gedispergeerd en effectief reageerden met koolmonoxide en stikstofoxide.

Khivantsev, Szanyi, en Wang zeiden dat hun bevindingen een weg vrijmaken om kosteneffectieve, stal, en lage-temperatuurkatalysatoren die rhodium veel efficiënter gebruiken dan de huidige. De wetenschappers zijn ook geïnteresseerd in het uitbreiden van de methode naar andere, minder dure katalytische metalen zoals palladium en ruthenium.