城市清潔空氣動態催化轉化器——鉑粒子的動態結構優化廢氣后處理

【概要】減少車輛污染物的排放以及越發嚴格的廢氣標準是開發催化轉化器所面臨的主要挑戰。一個新概念的提出將在城際交通工具的發動機冷啟動之后有效地處理廢氣，并減少貴金屬的消耗。

【圖注】汽車的催化轉化器將有毒的一氧化碳（CO）轉化為無毒的二氧化碳（CO 2），由鈰（Ce），氧（O）和鉑（Pt）組成。

根據研究人員在Angewandte Chemie（應用化學）雜志上的報道，該轉化器是基于鉑和氧化鈰載體之間的相互作用來控制發動機運行模式短期變化的催化活性。由于其良好的催化性能，鉑通常應用于車輛的催化轉化器之中，目前約有60％的歐洲鉑金貿易投入此項應用。使用柴油氧化催化轉化器（DOC），其中發生碳氫化合物和一氧化碳的反應后燃燒，卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的科學家及其合作伙伴發現，鉑組分在運行過程中的粒度和氧化態是可以具體修改。載體材料和應用的貴金屬之間的相互作用起著重要的作用。實驗結果反映其具有了高度動態的催化轉化器表面，其對外部沖擊（例如廢氣組成）具有極度敏感地反應。研究人員提出了使用這種動力學改進催化轉化器的方法。

“我們甚至可以調整催化轉化器表面的貴金屬納米粒子的尺寸和狀態，這些方法使我們能夠在相關實際的操作條件下進行，從而直接調節催化活性的材料，”KIT化學技術與聚合物化學研究所（ITCP）的科學家AndreasG?nzler說道，“通過調整白金顆粒結構提高廢氣催化劑的催化性能”。在他們的研究中，研究人員展示了鉑的狀態是如何敏感地與組合物反應，即一氧化碳和氧氣的比例以及廢氣的溫度。發動機操作已經在當今使用的廢氣后處理系統中得到特別修改，以這種方式，調節廢氣組成以用于顆粒過濾器或NOx存儲催化轉化器的再生。研究表明，除此之外還可以通過優化設定活性鉑組分達到提高催化轉化器的活性并降低貴金屬的消耗的目的。

在德法合作項目中，采用復雜的方法觀察運行條件下的材料。通過環境透射電子顯微鏡（ETEM），對材料的原子水平進行了結構修飾。在法國圣奧賓的SOLEIL同步加速器和KIT卡爾斯魯厄研究加速器KIT的X射線吸收光譜法被應用于研究在現實廢氣條件下的過程。 G?nzler指出：“根據實際情況下催化轉化器材料的這些觀察結果，研究結果可以更快地轉移到應用中。”

在獲得的結果的幫助下，柴油氧化催化轉化器的催化活性可以在低溫下得到提高。從他們的實驗觀察中，科學家們得出了一個有前景的基本概念，以專門調整鉑顆粒的尺寸和結構，作為操作過程中所需的催化活性的函數。該概念可以用于大力提高內燃機冷起動和在城市交通中駕駛時的催化性能。“比如說，貴金屬納米粒子的結構可以受到發動機運行模式的短期修改的影響”，G?nzler解釋道。

根據研究結果，可以提高可預見范圍內的新型催化轉化器的效率，同時提高貴金屬濃度可達50％以上。ITCP的Jan-Dierk Grunwaldt教授被認為是“催化轉化器研究的重大突破之一”的研究成果令人高興。該項目是在德國德法研究合作項目“ORCA-下一代柴油車輛氧化/還原催化轉化器”項目的過程中進行的。該項目由聯邦經濟和能源部撥款96萬歐元投入資金支持。除了KIT之外，里昂機場工業研究院（IRCELYON），TU Darmstadt，Solvay公司和哈奧的材料技術和回收公司Umicore AG＆Co. KG也參與了合作項目。

原文鏈接：Dynamic catalytic converters for clean air in the city

本文由材料人編輯部李妹編輯，點我加入材料人編輯部。

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