De volgende generatie katalysatoren zou een langere levensduur kunnen hebben en minder zeldzame materialen nodig hebben om te werken, suggereert een nieuwe studie.

Katalysatoren zetten schadelijke gassen uit de uitlaat van een auto, waaronder koolmonoxide en andere verontreinigende stoffen, om in stoom en andere veiligere bijproducten, zoals kooldioxide en stikstof.

Een goede katalysator kan meer dan tien jaar meegaan, maar volgens Cheng-Han Li, hoofdauteur van het onderzoek, is er altijd ruimte voor verbetering. Hij zei dat toekomstige katalytische technologieën kunnen worden ontworpen om verontreinigende stoffen voor een langere periode effectief te wassen.

"We willen een betere levensduur van katalysatoren. Anders zullen ze moeten worden vervangen of zullen ze de emissietests van de overheid niet doorstaan", zegt Li, een doctoraatsstudent materiaalwetenschappen en techniek aan de Ohio State University.

De studie is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Chemistry of Materials .

Afhankelijk van waar u woont, kunnen federale emissienormen variëren. In 1975 nam het Congres, om het groeiende smogprobleem in steden in de Verenigde Staten te bestrijden, wetgeving aan waarin stond dat alle voertuigen katalysatoren moesten hebben.

Hoewel er verschillende soorten zijn, gebruiken moderne katalysatoren een combinatie van drie edele metalen:palladium, platina en rhodium. Deze driewegkatalysatoren kunnen stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂ ) emissies:twee stoffen die, indien samengevoegd, NO_x . kunnen veroorzaken , een chemische verbinding die zowel directe als indirecte schadelijke effecten heeft op de menselijke gezondheid.

Stijgende prijzen voor de drie edele metalen - vooral rhodium - is de reden waarom criminelen overal hun toevlucht hebben genomen tot het stelen van katalysatoren. Rhodium komt het meest voor in de rivierzanden van Noord- en Zuid-Amerika en wordt beschouwd als het zeldzaamste element ter wereld en is waardevoller dan goud en platina.

"De kosten van rhodium zijn de afgelopen jaren dramatisch gestegen als gevolg van de toenemende vraag in combinatie met een fundamenteel tekort aan aanbod", zegt Li. Dat betekent dat katalysatoren duur kunnen zijn om te maken en dubbel zo duur om te vervangen.

En aangezien op rhodium gebaseerde katalysatoren schaars zijn, is het absoluut noodzakelijk dat ze zo effectief mogelijk worden gebruikt. Omdat bekend is dat de katalysatoren bij hoge temperaturen deactiveren, hebben onderzoekers onderzocht hoe hun prestaties in de loop van de tijd veranderen in aanwezigheid van hoge temperaturen.

Om dit te doen, voerde het team van Li verschillende tests uit op de converters, waaronder dat ze temperaturen van meer dan 1600 graden Fahrenheit moesten doorstaan. Hoewel echte katalysatoren dergelijke omstandigheden in een rijdende auto zelden overschrijden, kunnen ze deze temperaturen gedurende hun hele levensduur op zijn minst af en toe ervaren, vooral naarmate de converters ouder worden.

Onderzoekers gebruikten een transmissie-elektronenmicroscoop om de microstructuren van de driewegkatalysatoren op atomair niveau te bestuderen en hoe ze werden beïnvloed door de hitte. "Door de microstructuur te observeren, kunnen we het verband leggen tussen hoge temperaturen, de echte prestaties van de converter en zijn microstructuur", zei Li.

Li merkte op dat rhodiumkatalysatoren worden ondersteund door oxiden zoals aluminiumoxide en ceria-zirconia, die hen helpen stabiliseren.

Bij hoge hitte met zuurstof lost rhodium op in het aluminiumoxide en degradeert het in de stabiele oplossing rhodiumaluminaat. Deze oplossing is echter chemisch inactief, wat betekent dat het schadelijke verontreinigende stoffen en gassen niet kan wegwassen, waardoor het apparaat effectief onbruikbaar wordt.

Maar het is omkeerbaar.

Bij blootstelling aan waterstof wordt een deel van het rhodium weer actief, maar lang niet genoeg om de katalysatorconvertor terug te brengen naar zijn vroegere efficiëntie.

De bevindingen van het onderzoek concludeerden dat op de lange termijn het opzetten van een nieuw ontwerp dat de vorming van rhodiumaluminaat voorkomt, zou kunnen helpen om het meeste uit deze apparaten te halen. Dit diepgaande begrip van de structuur van het apparaat zou ook kunnen helpen bij het ontwikkelen van betere ontwerpen voor toekomstige katalysatoren.

"Onze resultaten geven autofabrikanten een specifieke richting om te volgen om het gebruik van op rodium gebaseerde katalysatoren te optimaliseren", aldus Li.

Co-auteurs waren Jason Wu, Andrew Bean Getsoian en Giovanni Cavataio van de Ford Motor Company, en Joerg Jinschek, een universitair hoofddocent materiaalwetenschap en techniek aan de staat Ohio. + Verder verkennen

Om voertuigvervuiling te verminderen, kan een enkel atoom het werk doen van meerdere