Nästa generation av katalysatorer kan ha längre livslängder och behöver färre sällsynta material för att fungera, föreslår en ny studie.

Katalysatorer omvandlar skadliga gaser från bilens avgaser, inklusive kolmonoxid och andra föroreningar, till ånga och andra säkrare biprodukter, som koldioxid och kväve.

En bra katalysator kan hålla i mer än ett decennium, men enligt Cheng-Han Li, huvudförfattare till studien, finns det alltid utrymme för förbättringar. Han sa att framtida katalytiska teknologier kan utformas för att effektivt skrubba föroreningar under en längre tid.

"Vi vill ha en bättre livslängd för katalysatorer. Annars måste de bytas ut eller kommer inte att klara regeringens utsläppstester", säger Li, som är doktorand i materialvetenskap och teknik vid Ohio State University.

Studien publicerades nyligen i tidskriften Chemistry of Materials .

Beroende på var du bor kan federala utsläppsnormer variera. 1975, för att bekämpa det växande smogproblemet i städer över hela USA, antog kongressen en lagstiftning som anger att alla fordon var skyldiga att ha katalysatorer.

Även om det finns olika typer använder moderna katalysatorer en kombination av tre ädelmetaller:palladium, platina och rodium. Dessa trevägskatalysatorer kan reducera kväveoxid (NO) och kvävedioxid (NO₂ ) utsläpp – två ämnen som om de sätts ihop kan skapa NO_x , en kemisk förening som har både direkta och indirekta skadliga effekter på människors hälsa.

Stigande priser på de tre ädla metallerna – särskilt rodium – är anledningen till att brottslingar överallt har tillgripit att stjäla katalysatorer. Rodium, som oftast finns i flodsanden i Nord- och Sydamerika, anses vara det sällsynta grundämnet i världen och är mer värdefullt än guld och platina.

"Kostnaden för rodium har stigit dramatiskt under de senaste åren på grund av ökad efterfrågan i kombination med ett grundläggande utbudsunderskott", säger Li. Det betyder att katalysatorer kan vara dyra att tillverka och dubbelt dyra att byta ut.

Och eftersom rodiumbaserade katalysatorer är en bristvara, är det absolut nödvändigt att de används så effektivt som möjligt. Eftersom katalysatorerna har varit kända för att deaktiveras vid höga temperaturer, undersökte forskare hur deras prestanda förändras över tiden i närvaro av hög värme.

För att göra detta utförde Lis team flera tester på omvandlarna, inklusive att låta dem uthärda temperaturer högre än 1600 grader Fahrenheit. Även om riktiga katalysatorer sällan överskrider sådana förhållanden i en bil i rörelse, kan de uppleva dessa temperaturer åtminstone ibland under sin livstid, särskilt när omvandlarna blir äldre.

Forskare använde ett transmissionselektronmikroskop för att studera mikrostrukturerna hos trevägskatalysatorerna på atomnivå och hur de påverkades av värmen. "Genom att observera mikrostrukturen kan vi skapa kopplingen mellan hög värme, omvandlarens verkliga prestanda och dess mikrostruktur", sa Li.

Li noterade att rodiumkatalysatorer stöds av oxider som aluminiumoxid och ceriumoxid-zirkoniumoxid, som hjälper till att stabilisera dem.

Vid hög värme med syre löses rodium i aluminiumoxiden och bryts ned till den stabila lösningen rodiumaluminat. Denna lösning är dock kemiskt inaktiv, vilket innebär att den inte kan skrubba bort skadliga föroreningar och gaser, vilket gör enheten effektivt värdelös.

Men den är reversibel.

När det utsätts för väte blir en del av rodiumet aktivt igen, men inte tillnärmelsevis tillräckligt för att återställa katalysatoromvandlaren till sin tidigare effektivitet.

Resultaten av studien drog slutsatsen att i det långa loppet kan upprättandet av en ny design som förhindrar bildningen av rodiumaluminat hjälpa till att få ut det mesta av dessa enheter. Denna djupgående förståelse av enhetens struktur kan också hjälpa till att informera om bättre design för framtida katalysatorer.

"Våra resultat ger biltillverkarna en specifik riktning att följa för att optimera användningen av rodiumbaserade katalysatorer", sa Li.

Medförfattare var Jason Wu, Andrew Bean Getsoian och Giovanni Cavataio från Ford Motor Company och Joerg Jinschek, docent i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid Ohio State. + Utforska vidare

För att minska fordonsföroreningar kan en enda atom göra flera