Din resa kan vara blygsam - men om den brinner bensin, du har ädelmetaller ombord. För att minska föroreningarna vid avgasröret, bensinbilar och lastbilar är idag utrustade med katalysatorer som innehåller platinagruppmetaller som rodium och palladium.

Efterfrågan på dessa metaller ökar i takt med att länder runt om i världen försöker sänka utsläppen från fordon som påskyndar klimatförändringarna och försämrar luftkvaliteten. Med tanke på att ett enda uns rodium nu kostar mer än $20, 000, det är ingen slump att över hela USA, stölder av katalysatorer ökar.

En upptäckt av forskare från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och Washington State University kan hjälpa till att minska mängden dyra metaller som behövs för att behandla fordonsavgaser genom att göra det bästa av varje dyrbar atom. I en studie publicerad i tidskriften Angewandte Chemie International Edition, forskare visade framgång i att minska kolmonoxid- och kväveoxidutsläppen genom att använda minst tre gånger mindre rodium jämfört med en typisk katalysator.

"Det vi rapporterade här strider mot den konventionella visdomen att du behöver rodiumatomer intill varandra, i form av en nanopartikel, att göra denna kemi, sa Yong Wang, en professor i kemiteknik vid Washington State University som har en gemensam anställning vid PNNL. "Vi fann att en enda atom av rodium kan göra ett ännu bättre jobb med att omvandla föroreningar än en rodiumnanopartikel."

Konvertera det konventionella

Arbetet på PNNL relaterar till trevägskatalysatorer, namngivna för sin förmåga att minska kolmonoxid, kväveoxid, och kolväten såsom metan. Kväveoxid är en av en uppsättning föroreningar som kallas NO _x , komponenter av smog som också indirekt bidrar till atmosfärens uppvärmning. Kolmonoxid i höga koncentrationer är giftigt för människor. Inuti ett fordons katalysator, dessa katalysatorer fångar upp och demonterar sådana kemiska föreningar innan de når avgasröret. En trevägskatalysator omvandlar NO _x till kväve och kolmonoxid och kolväten till koldioxid.

Efterbehandlingssystem baserade på sådana katalysatorer har använts i decennier med förbränningsmotorer. Men förutom de skyhöga priserna för ädelmetaller för att bygga dessa system, ett annat problem hotar att minska deras effektivitet. När fordonen blir mer bränslesnåla, avgaserna är inte lika varmt. Det är ett problem för konventionella katalysatorer som designades för att fungera inom de höga temperaturerna hos äldre motorer - de fungerar helt enkelt inte lika bra vid lägre temperaturer.

US Department of Energy (DOE) har samarbetat med inhemska biltillverkare för att möta utmaningen att designa material som kan omvandla 90 % av avgasutsläppen vid 150 grader Celsius (302 °F), som anses vara "låg temperatur" i utsläppskontrollens värld. Sådana material måste också vara tillräckligt stabila för att hålla över mil och mil av resor.

Isolerande atomer för ökad reaktivitet och stabilitet

PNNL-studien byggde på tidigare arbete från Wang och kollegor där de "fångade" enstaka atomer av platina på ett underlag av ceriumdioxid, eller ceriumoxid – ett pulver som ofta används i keramik – genom att värma kombinationen till 800 grader Celsius (1, 472°F). Vid så höga temperaturer, flytande metallatomer kommer att börja hålla ihop, minska deras katalytiska krafter. Men i denna studie, platinaatomerna fixerades till ceriumoxidstödet snarare än varandra. Dessa isolerade atomer reagerade med målämnena mer effektivt än om de hade klumpat ihop sig.

Den nyare studien tog samma atomfångande tillvägagångssätt med rodium. Katalysatorer med endast 0,1 viktprocent atomärt dispergerat rodium under modellförhållanden klarade DOE 150 grader Celsius utmaningen, omvandlar 100 % kväveoxid vid temperaturer så låga som 120 grader Celsius.

"Begravd i den vetenskapliga litteraturen, det finns rapporter från 1970-talet som visar att isolerade rodiumatomer kunde utföra denna reaktion, men de experimenten gjordes i lösningar, och rodiumatomerna var hydrotermiskt instabila, " sa Konstantin Khivantsev och Janos Szanyi, PNNL-forskare som ledde studien med Wang. "Det som inspirerade oss var detta nya tillvägagångssätt för att göra atomfångning vid höga temperaturer. Med det, vi kunde för första gången visa att enstaka rodiumatomer kunde vara både katalytiskt aktiva och stabila."

Forskarna genomförde experiment för studien vid Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), en nationell vetenskaplig användaranläggning sponsrad av DOE Biological and Environmental Research-programmet. De använde olika typer av högupplöst bildbehandling, inklusive Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR), transmissionselektronmikroskopi, och energidispersiv röntgenspektroskopi, för att verifiera att rodiumatomerna var dispergerade individuellt och reagerade effektivt med kolmonoxid och kväveoxid.

Khivantsev, Szanyi, och Wang sa att deras resultat tydliggör en väg för att göra kostnadseffektiva, stabil, och lågtemperaturkatalysatorer som använder rodium mycket mer effektivt än nuvarande. Forskarna är också intresserade av att utvidga metoden till andra mindre dyra katalytiska metaller som palladium och rutenium.