Katalysatorer rensar luften från denna typ av skadlig fug, åtminstone om de fortfarande är i gott skick och upp till driftstemperatur. (WIKIMEDIA COMMONS)
(PhysOrg.com) -- Kontroll över materialegenskaper skulle minska mängden platina som behövs.
De giftiga biprodukterna som uppstår när en bils motor bränner bränsle förs in i katalysatorn, där kemiska reaktioner gör dem till mycket mindre giftiga ämnen som vatten och koldioxid.
Katalysatorn som sänker aktiveringsenergin för dessa kemiska reaktioner så att de kan ske vid rimliga temperaturer och hastigheter är vanligtvis platina, en av världens sällsynta och mest värdefulla metaller. Eftersom platina är så dyr, biltillverkare vill använda så lite som möjligt, och att använda den så effektivt som möjligt.
För att maximera sin specifika ytarea (yta per massenhet) och därmed dess kemiska aktivitet, tillverkare belägger ett keramiskt stöd med små partiklar av platina. Men när omvandlaren blir varm, platina -aggregaten, bildar stora klumpar som inte kan utföra avgiftningsreaktionerna lika effektivt. För att kompensera för förlusten av effektivitet, omvandlare måste innehålla mer platina, en knapp metall som verkligen behövs för andra ren energitillämpningar, som bränsleceller.
Ett katalytiskt modellsystem, beskrev online den här veckan av German Chemical Society's Journal Angewantde Chemie International Edition, hindrar platina från att aggregera, så att det behövs mindre för varje omvandlare.
Systemet utarbetades av ett team av forskare inklusive Younan Xia, Doktorsexamen, James M. McKelvey professor i biomedicinsk teknik vid School of Engineering and Applied Science vid Washington University i St. Louis. I teamet ingår även Charles T. Camvell, Phd, Lloyd E. och Florence M. West professor i kemi vid University of Washington i Seattle och Paul T.Fanson, Doktorsexamen, en kemist på ToyotaToyota Motor Engineering &Manufacturing North America i Ann Arbor.
Nyckelutvecklingen är att belägga platinananopartiklar med ett poröst kiseldioxidskikt. På grund av dess svaga interaktion med platina, kiseldioxidbeläggningen ger en energibarriär som håller platina på plats även vid mycket höga temperaturer, förhindra aggregering och bibehålla katalytisk aktivitet.
Det första steget i att skapa det nya systemet är att ladda titandioxid nanofibrer med platina nanopartiklar. Detta stöd gör platinakatalysatorn mer aktiv genom att tillhandahålla ytterligare elektroner för några av de avgiftande reaktionerna. De laddade fibrerna beläggs sedan med kiseldioxid som innehåller ett organiskt poralstrande medel, som sedan avlägsnades genom uppvärmning till 350 grader C för att skapa porösa höljen.
Den nya designen laddar platinananopartiklar på nanofirber och täcker sedan nanopartiklarna med kiseldioxid och en organisk poralstrande förening som kan avlägsnas genom försiktig uppvärmning. Det porösa höljet tillåter gaser att nå platina, men förhindrar att partiklarna aggregerar. (YOUNAN XIA/WUSTL)
"Det är väldigt knepigt att göra den här typen av beläggning tillräckligt tunn och tillräckligt porös så att du inte riktigt påverkar aktiviteten hos platinakatalysatorn. Så det är en stor utveckling, säger Xia.
Experiment visade sedan att den kiseldioxidbelagda platinan bibehöll sin katalytiska förmåga vid mycket högre temperaturer än obelagd platina, som började samlas vid temperaturer så låga som 350 grader C.
Yunqian Dai, huvudförfattaren på tidningen och en besökande doktorand från Kina, säger att denna utveckling "avsevärt kommer att förbättra termostabiliteten" hos platinakatalysatorer, även om det ännu inte är klart om det kommer att leda till nya katalysatorkonstruktioner.
"Det ser ut som att vi kan köra dessa upp till 750 grader utan någon större tätort, Säger Xia. "Den typiska temperaturen för en katalysator är cirka 550, så i den meningen, det ska kunna hålla en längre tid. ”
Nästa upp för Xia's te, är att studera katalytiska system med olika kompositioner, såsom aluminiumoxid snarare än kiseldioxidmantel.
Platina är så dyrt, Xia säger, omvandlarna blir ibland stulna och det är ekonomiskt att återvinna gamla för att återvinna ädelmetallen. Målet med hans forskning, dock, är att använda mycket mindre platina, så bilar kostar mindre och mer av metallen är tillgänglig för andra användningsområden.
