Блог

Aug 06, 2023

Исследователи UCF работают над уменьшением количества драгоценных металлов в каталитических нейтрализаторах

Драгоценные металлы, такие как платина, палладий и родий, в каталитическом

Драгоценные металлы, такие как платина, палладий и родий, содержащиеся в каталитических нейтрализаторах, делают автомобильные устройства привлекательными для воров, но исследователи из Университета Центральной Флориды работают над уменьшением количества необходимых в них драгоценных металлов — до отдельных атомов — при этом максимизируя их. их эффективность.

Каталитические нейтрализаторы, которые были широко внедрены в американских автомобилях в 1970-х годах, используют драгоценные металлы в качестве катализаторов, помогающих очищать смертельные и вредные химические вещества из выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Поскольку цены на драгоценные металлы продолжают расти, растет и количество краж каталитических нейтрализаторов.

В недавних исследованиях, опубликованных в журналах Nature Communications и Journal of the American Chemical Society, исследователи UCF показали, что они могут, соответственно, использовать атомарную платину для контроля загрязняющих веществ и эксплуатировать систему при более низких температурах, что имеет решающее значение для удаления вредных химикатов при первом запуске транспортного средства. начинается.

Точная настройка местоположения атома платины

В исследовании Nature Communications исследовательские группы UCF под руководством Фудуна Лю, доцента кафедры гражданского, экологического и строительного проектирования, и Талата Рахмана, выдающегося профессора Pegasus на кафедре физики, успешно построили одиночные атомы платины с различным атомным координационным окружением. в определенных местах на церии. Церий — это оксид металла, который помогает улучшить эффективность каталитической реакции.

Лю и Рахман также являются членами Кластера катализа возобновляемых источников энергии и химических преобразований (РЕАКТ).

По словам исследователей, атомы платины продемонстрировали поразительно различное поведение в каталитических реакциях, таких как окисление угарного газа и окисление аммиака в системе дополнительной очистки выхлопных газов дизельного двигателя.

В результате окисления смертоносный угарный газ превращается в углекислый газ, а вредный аммиак — в молекулы азота и воды.

Их результаты показывают, что каталитическую эффективность одноатомных катализаторов в целевых реакциях можно максимизировать за счет оптимизации их локальных координационных структур с помощью простых и масштабируемых в промышленности стратегий, говорит Лю.

«Объединив расчеты электронной структуры с новейшими экспериментами, команды Лю и Рахмана совершили прорыв, который может принести значительную пользу сообществу гетерогенного катализа в разработке высокоэффективных одноатомных катализаторов как для экологических, так и для энергетических нужд», — Лю говорит.

«Мы успешно разработали простую стратегию выборочной точной настройки локальной координационной среды одиночных атомов платины для достижения удовлетворительных каталитических характеристик в различных целевых реакциях, что подтолкнет понимание одноатомного катализа на значительный шаг вперед», — говорит он.

Рахман говорит, что их совместная работа демонстрирует, как теория и эксперименты, работающие в тандеме, могут раскрыть микроскопические механизмы, ответственные за усиление каталитической активности и селективности.

Эффективный катализатор окисления угарного газа

В исследовании, опубликованном в журнале Американского химического общества, Лю и его коллеги из Технологического института Вирджинии и Пекинского технологического университета значительно улучшили эффективность очистки окиси углерода платино-церий-глиноземным катализатором в 3,5–70 раз по сравнению с регулярно используемыми платиновыми катализаторами.

Они сделали это посредством точного контроля координационных структур платины на атомном уровне на доступной в промышленности подложке из церия-глинозема.

«Локальная структура активного центра внутри катализатора определяет его каталитическую эффективность», — говорит Лю. «Однако точный контроль локальной координационной структуры активных центров и выяснение внутренних связей между структурой и производительностью представляют собой серьезные проблемы в области гетерогенного катализа».

«Мы работали над контролем локальной координационной структуры металлических центров на атомном уровне, разработали высокоэффективный катализатор для реакций, связанных с очисткой окружающей среды, и выявили взаимосвязь между структурой и характеристиками недавно изготовленных катализаторов, чтобы определить будущую конструкцию катализатора», — он говорит.