Silniki spalinowe spalające wodór są bardzo obiecujące w walce ze zmianami klimatycznymi, ponieważ są mocne i nie emitują dwutlenku węgla powodującego ocieplenie ziemi.
Mogą napędzać ciężkie samochody ciężarowe i autobusy, nadają się do sprzętu terenowego i rolniczego oraz rezerwowych agregatów prądotwórczych, zapewniając czystszą alternatywę dla silników wysokoprężnych.
Jednak nie są one całkowicie czyste. Podczas procesu spalania w wysokiej temperaturze emitują tlenki azotu. Tlenki azotu reagują z innymi związkami w atmosferze, tworząc szkodliwy ozon i drobne cząstki stałe, które pogarszają stan naszych płuc i prowadzą do długotrwałych problemów zdrowotnych.
Na szczęście naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside odkryli niedrogą metodę znacznego ograniczenia zanieczyszczeń pochodzących z silników wodorowych poprzez poprawę wydajności ich katalizatorów.
Jak podano w czasopiśmie Nature Communications, naukowcy odkryli, że nasycenie platyny w katalizatorach wysoce porowatym materiałem zwanym zeolitami Y znacznie wzmacnia reakcje pomiędzy tlenkami azotu i wodorem, przekształcając je w nieszkodliwy azot gazowy i parę wodną.
Badanie wykazało, że w porównaniu z katalizatorem niezawierającym zeolitów, ilość tlenków azotu przekształcanych w nieszkodliwe substancje wzrosła od czterech do pięciu razy w temperaturze silnika wynoszącej 250 stopni Celsjusza. System okazał się szczególnie skuteczny w niższych temperaturach, co ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia zanieczyszczeń przy pierwszym uruchomieniu silników, gdy są jeszcze stosunkowo chłodne.
Co więcej, technologia ta może również zmniejszyć zanieczyszczenia pochodzące z silników wysokoprężnych wyposażonych w układy wtrysku wodoru, wyjaśnił Fudong Liu, autor korespondencyjny i profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i środowiskowej w Bourns College of Engineering przy UCR. Wtrysk wodoru byłby podobny do układów wtrysku stosowanych w układach selektywnej redukcji katalitycznej w dużych ciężarówkach z silnikiem wysokoprężnym.
Zeolity to tanie materiały o dobrze określonej strukturze krystalicznej składającej się głównie z atomów krzemu, glinu i tlenu. Ich duża powierzchnia oraz trójwymiarowa, przypominająca klatkę struktura jednolitych porów i kanałów pozwalają na skuteczniejszy rozkład zanieczyszczeń.
Fizycznie mieszając platynę z zeolitem Y – syntetycznym typem z szerszej rodziny związków zeolitów – naukowcy stworzyli system, który skutecznie wychwytuje wodę powstającą podczas procesu spalania wodoru. To bogate w wodę środowisko sprzyja aktywacji wodoru, co jest kluczem do poprawy efektywności redukcji azotu.
Shaohua Xie, badacz z UCR i główny autor badania, wyjaśnił, że sam zeolit nie jest katalizatorem. Zamiast tego zwiększa skuteczność katalizatora platynowego, tworząc środowisko bogate w wodę. Liping Liu, doktorant student i Hongliang Xin, profesor nadzwyczajny w Virginia Tech, zweryfikowali tę koncepcję poprzez teoretyczne modelowanie nowego układu katalitycznego.
„Ta koncepcja może mieć również zastosowanie do innych typów zeolitów” – dodał Xie. „To uniwersalna strategia”.
Liu podkreślił, że metoda redukcji zanieczyszczeń jest stosunkowo prosta.
„Nie musimy stosować skomplikowanych procesów chemicznych ani innych procesów fizycznych” – powiedział Liu. „Po prostu mieszamy ze sobą dwa materiały – platynę i zeolit – przeprowadzamy reakcję, a następnie widzimy poprawę aktywności i selektywności”.
Liu, Xie i Kailong Ye z UCR zmieszali proszki platyny i zeolitu Y i dostarczyli je współpracującemu naukowcowi Yuejinowi Li z BASF Environmental Catalyst and Metal Solutions, czyli ECMS, w Iselin w stanie New Jersey. Proszek przekształcono w gęstą płynną zawiesinę ze związkami wiążącymi i nałożono na struktury o strukturze plastra miodu wewnątrz prototypowych katalizatorów. Współpracownikami byli także naukowcy z National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) w Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork.
Liu i Xie oczekują, że firma BASF, która sfinansowała badanie, skomercjalizuje technologię będącą przedmiotem oczekującego patentu.
„No cóż, jesteśmy dumni” – powiedziała Xie. „Opracowaliśmy nową technologię kontroli emisji tlenków azotu i uważamy, że jest to niesamowita technika”.