Moderna bilar är beroende av katalysatorer för att ta bort kolmonoxid, kolväten och andra skadliga kemikalier från avgasutsläpp.

För att göra det förlitar de sig på dyra metaller som har speciella kemiska egenskaper som minskar i effektivitet med tiden. Biträdande professor Matteo Cargnello och doktorand Emmett Goodman ledde nyligen ett team som har föreslagit ett nytt sätt att minska kostnaderna och förlänga livslängden för dessa material, lösa ett problem som har irriterat bilingenjörer i flera år. I processen, Cargnello och kollegor har gjort något anmärkningsvärt:gjort ett genombrott i ett moget område där förändring kommer långsamt, Om överhuvudtaget.

Hur är det med katalysatorer som behöver förbättras?

En ny katalysator kan kosta $1, 000 eller mer, vilket gör den till en av de dyraste enskilda delarna på alla bilar. De är dyra eftersom de använder dyra metaller som palladium för att främja de kemiska reaktionerna som renar avgaserna. Palladium kostar cirka 50 USD per gram – mer än guld – och varje katalysator innehåller cirka 5 gram av det. Metaller som palladium är katalysatorer - en speciell klass av material som påskyndar kemiska reaktioner men som inte förändrar sig själva kemiskt. I teorin, katalysatorer kan användas om och om igen, obegränsat. I praktiken, dock, katalysatorernas prestanda försämras med tiden. Att kompensera, vi är tvungna att använda mer av dessa dyra metaller i förväg, lägga till kostnaden. Vårt mål är att bättre förstå orsakerna till denna försämring och hur man kan motverka den.

Varför blir katalysatorer dåliga?

Helst Katalysatorer bör utformas för att ha största möjliga ytarea för att främja det största antalet kemiska reaktioner. Så, tillverkare sprider vanligtvis många små partiklar över ytan på en ny katalysator. Från tidigare forskning vet vi att över tid, metallatomerna börjar röra sig, bildar större och större partiklar som ger mindre yta, och därmed bli mindre effektiva. Vi kallar denna klumpningsprocess för "sintring". För att motverka sintring, tillverkare använder alltför stora mängder metall så att omvandlaren kommer att uppfylla utsläppsnormerna för en bils 10- eller 15-åriga livslängd. Vårt team har upptäckt att sintring inte är den enda orsaken till inaktivering. Faktiskt, denna nya deaktiveringsmekanism visar sig vara raka motsatsen till sintring. Under vissa omständigheter, istället för att partiklarna blir större, de sönderdelas till mindre partiklar och blir så småningom enstaka atomer som är i huvudsak inaktiva. Detta är en ny förståelse som vi tror att ingen har presenterat tidigare, och det fick oss att leta efter ett helt nytt sätt att maximera livslängden och prestanda för metallerna i katalysatorer.

Vad kan vi göra för att få katalysatorer att hålla längre?

Vår forskning tyder på att om vi noggrant kontrollerar både storleken och avståndet mellan metallpartiklar, palladiumpartiklar varken sintras till stora klumpar eller sönderdelas till enskilda atomer. Tidigare, många människor i katalysgemenskapen trodde att om man vill göra partiklar stabila, man var tvungen att hålla dem så långt isär som möjligt för att förhindra migration av partiklarna. Vi förvirrade denna uppfattning genom att sammanföra ett samarbetsteam som studerade försämring på ett nytt sätt. Aaron Johnston-Peck från National Institute of Standards and Technology använde avancerad mikroskopi för att visualisera närvaron av de enskilda atomerna. Simon Bare från SLAC National Accelerator Laboratory använde röntgenteknik för att bevisa att katalytiska material börjar som partiklar och slutar som enstaka atomer. För att sätta dessa experimentella resultat i en teoretisk ram, vi arbetade med Frank Abild-Pedersen från SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis och SLAC, och Philipp Plessow från Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. De hade beräkningsresurserna för att hjälpa oss att simulera avaktiveringsmekanismen på atomär skala. I slutet, vi har tillhandahållit en vetenskaplig grund som skulle kunna göra det möjligt att bibehålla minskningen av föroreningar samtidigt som man använder mindre ädelmetall och sänker kostnaderna för katalysatorer. Om fordonsingenjörer i slutändan bekräftar och implementerar dessa fynd, det skulle vara en enorm vinst för konsumenterna på lång sikt.