Иногда решения экологических проблем могут иметь неблагоприятные для окружающей среды побочные эффекты. Например, хотя в большинстве автомобилей, работающих на газе, есть каталитический нейтрализатор, который преобразует загрязняющие вещества, выбрасываемые двигателем, в менее вредные газы, это связано с компромиссом: каталитические нейтрализаторы содержат драгоценные металлы, такие как платина и палладий.
Преимущество этих драгоценных металлов в том, что они действуют как катализаторы, помогающие расщеплять загрязняющие вещества, обладая набором свойств, которые делают их лучшими кандидатами на эту химическую работу. Но они также редки, что делает их дорогими, а их извлечение из земли приводит к загрязнению окружающей среды.
Тем не менее, в статье, опубликованной 24 октября в журнале Nature Materials , исследователи из Центра исследований и катализа SUNCAT, Института энергетики Precourt Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики сообщили о способе инкапсуляции катализаторов, который может снизить количество каталитических нейтрализаторов драгоценных металлов, необходимых для работы, что, в свою очередь, может сократить практику добычи драгоценных металлов.
«Я думаю, что материал, который мы сделали, мог бы снизить количество драгоценных металлов, используемых в каталитических нейтрализаторах , на 50 процентов, что будет иметь большое значение, если умножить это на почти 1,5 миллиарда автомобилей, которые сейчас находятся в обращении на планете», — сказал он. Маттео Карньелло, старший автор нового исследования и доцент кафедры химического машиностроения Стэнфордского университета.
Защита того, что ценно
Каталитический нейтрализатор внутри горячий, наполненный паром и кислородом. Это может звучать красиво, но на самом деле это суровая среда , которая деактивирует катализаторы из драгоценных металлов.
Как только кто-то водит машину, наночастицы катализатора, присутствующие в каталитическом нейтрализаторе, подвергаются воздействию высоких температур, которые заставляют их сливаться и образовывать более крупные частицы. Этот процесс известен как спекание, и эти более крупные спеченные куски катализатора означают меньшую общую активную поверхность катализатора для выполнения своей работы: чем больше частицы, тем ниже каталитическая эффективность.
Производители автомобилей должны использовать определенное количество катализатора, чтобы поддерживать каталитический нейтрализатор на требуемом уровне эффективности. Но если бы катализатор был устойчив к спеканию и дезактивации, производители автомобилей могли бы использовать меньше драгоценного металла.
Айсулу Айтбекова и Карньелло, который был советником Айтбековой, когда она получала степень доктора философии. в Стэнфорде придумали каталитическую систему, которая может сделать именно это. Они построили наноразмерный каркас из оксида алюминия, чтобы заключить в него наночастицы катализатора — в данном случае платину из драгоценного металла.
Команда изготовила эту клетку с помощью нанолитья: сначала они поместили наночастицы платины между пористыми слоями полимера, а затем заполнили поры оксидом алюминия. После нагревания полимерной формы они остались с паутинообразной клеткой из оксида алюминия, окружающей наночастицы.
Глинозем — это керамика, похожая на кофейную кружку, поэтому она достаточно жесткая, чтобы удерживать наночастицы на месте. Но он также пористый, поэтому в каркасе есть отверстия, где поверхность наночастиц может вступать в реакции.
После того, как образцы были собраны, команда должна была их протестировать.
«Мы протестировали наши материалы в среде, которая имитирует среду внутри каталитических нейтрализаторов — суровые условия высокой температуры, кислорода и пара — и наши материалы показали высокие характеристики », — сказала Айтбекова, первый автор новой статьи и в настоящее время Кавли. Постдокторант Института нанотехнологий Калифорнийского технологического института.
Решающие рентгеновские лучи
Команда использовала рентгеновские лучи, производимые Стэнфордским источником синхротронного излучения (SSRL) в SLAC, для проведения рентгеновской абсорбционной спектроскопии на своих образцах, которая выявила размер наночастиц платины. Эти чувствительные рентгеновские лучи позволили исследовать небольшие количества платины. SSRL также позволил команде изучить виды бурных реакций, происходящих в каталитическом нейтрализаторе.
«SSRL — один из немногих синхротронов в США, где мы можем легко и безопасно проводить подобные эксперименты, включающие подачу легковоспламеняющихся токсичных газов на наш образец и изучение его структуры во время проведения химической реакции», — сказал Карньелло. «Глубокий опыт таких исследований обеспечил нам успех, и, кроме того, мы воспользовались сильной связью между группой Саймона Бэра в SSRL и моей группой в Стэнфорде».
Рентгеновские лучи показали исследователям, что, в отличие от обычных катализаторов из драгоценных металлов, платиновые катализаторы в клетке не спекаются и не дезактивируются даже при 800 градусах Цельсия в присутствии кислорода и пара, то есть в условиях, сходных с условиями каталитических нейтрализаторов. В то время как эти защищенные наночастицы сохраняли свой первоначальный размер около 3,8 нанометров, их платиновые аналоги без каркаса спекались в частицы размером более 100 нанометров.
«Это был первый случай, когда кто-то наблюдал стабильные наночастицы платины в таких суровых условиях», — сказал Баре, выдающийся ученый из SLAC, который помогал команде изучать катализаторы в SSRL.
Катализаторы в каталитических нейтрализаторах обычно испытывают такие высокие температуры только в течение нескольких секунд, но многократно в течение всего срока службы. Образцы катализатора в этом исследовании подвергались воздействию высоких температур в течение нескольких часов. Каркасный платиновый катализатор оставался стабильным в течение 50 часов при температуре 800 градусов по Цельсию, но на самом деле лучшим катализатором команды была смесь двух драгоценных металлов: платины и палладия. Этот комбинированный катализатор смог поддерживать размер наночастиц при температуре 1100 градусов по Цельсию в течение пяти часов, что позволяет предположить, что палладий дополнительно улучшает стабильность инкапсулированной системы.
Пятнадцать авторов внесли свой вклад в эту работу, в том числе исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики, Технологического института Карлсруэ в Германии и Центра исследований взаимодействия и катализа в SUNCAT, партнерстве между Стэнфордом и SLAC, занимающемся экологически безопасным дизайном катализатора.
«Эта работа была совместным усилием, которое было бы невозможно без вклада многих людей», — сказала Айтбекова.
Теперь команда планирует улучшить свою каталитическую систему, а также понять, почему эти материалы остаются стабильными в таких суровых условиях. Данные свидетельствуют о том, что каркас из оксида алюминия снижает возникновение процессов, дезактивирующих платину и палладий, но лучшее понимание этого механизма может помочь применить его к другим катализаторам.
«Когда Айсулу собирала первые данные и делилась ими с нами, это было действительно захватывающе», — сказал Бэр. «Теперь мы хотим интерпретировать это на более глубоком уровне и применить к более широкому кругу материалов, чем только эта каталитическая система».
