Forskare vid Washington State University, University of New Mexico, Eindhovens tekniska universitet, och Pacific Northwest National Laboratory har utvecklat en katalysator som både tål höga temperaturer och omvandlar föroreningar vid nära rumstemperatur – ett viktigt framsteg för att minska föroreningarna i moderna bilar.

De rapporterar om sitt arbete i tidskriften, Naturkommunikation .

Katalysatorer har använts i USA sedan 1970-talet som ett sätt att rensa upp föroreningar från fordonsavgaser. I den katalytiska processen, sällsynta metaller, som platina, används i en kemisk reaktion för att omvandla kolmonoxid och andra föroreningar till ogiftig koldioxid, kväve, och vatten.

I takt med att bilar har blivit mer bränslesnåla, dock, de använder mindre energi och temperaturen på avgaserna är lägre, vilket gör det svårare att sanera föroreningarna. Faktiskt, det amerikanska energidepartementet har satt som mål att ta bort 90 procent av de skadliga utsläppen vid 150 grader Celsius eller lägre.

Katalysatorerna måste fungera vid låga temperaturer men måste också överleva under de svåra förhållanden som uppstår under drift.

"Katalysatorproblemet har paradoxalt nog ökat i takt med att bilar har blivit bättre och effektivare, sa Emiel Hensen, professor i katalys vid Eindhovens tekniska universitet.

Under tiden, industrin kämpar också med de höga kostnaderna för de ädelmetaller som krävs för katalys. Platina, till exempel, underlättar kemiska reaktioner för många vanliga produkter och processer men kostar mer än $800 per uns.

Katalysatorn som forskarna utvecklade är baserad på aktiveringen av enstaka atomer av platina uppburna på ceriumoxid. Medan deras katalysator överträffar nuvarande teknik, det minskar också mängden platina som krävs, vilket skulle sänka de totala kostnaderna.

"Industrien vill använda varje enskild atom av ädla metaller, vilket är anledningen till att enatomskatalys har väckt ökad uppmärksamhet, sa Abhaya Datye, en framstående professor vid UNM:s institution för kemi- och biologisk teknik.

I deras senaste verk, forskarna säkerställde först att deras katalysatorer var termiskt stabila, fånga platinajoner på en ceriumoxidbärare vid mycket höga temperaturer. Deras syntesmetod fick platinaatomerna att starkt binda till sitt stöd. De aktiverade sedan katalysatorn i kolmonoxid vid cirka 275 grader Celsius.

"Till vår förvåning, vi upptäckte att högtemperatursyntesen gjorde ceriumoxiden lättare att reducera, så att den kan tillhandahålla en nyckelingrediens – syre – till aktiva platser, sa Yong Wang, Voiland Distinguished Professor i Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering vid WSU.

Det aktiverade syret kunde sedan avlägsna föroreningar vid nära rumstemperatur vid platinaplatserna.

"Denna forskning tar direkt upp den 150-gradersutmaning som identifierats av det amerikanska energidepartementet och av bilföretag, " sade Wang. "Upptäckten av syreaktivering vid nära rumstemperatur är extremt användbar, och denna upptäckt kan ha en betydande inverkan på tekniken för avgaskontroll."

Forskarna planerar nu att studera prestandan hos enatomskatalysatorer med andra organiska föreningar och föroreningar. Arbetet finansierades av U.S. Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences och Netherlands Research Centre for Multiscale Catalytic Energy Conversion.