Pojedyncze atomy palladu przyczepione do powierzchni katalizatora mogą usuwać 90% niespalonego metanu ze spalin silnika na gaz ziemny w niskich temperaturach, poinformowali naukowcy w czasopiśmie Nature Catalysis.
Chociaż należy przeprowadzić więcej badań, powiedzieli, że postęp w katalizie pojedynczego atomu może potencjalnie obniżyć emisję spalin metanu, jednego z najgorszych gazów cieplarnianych, który zatrzymuje ciepło około 25 razy szybciej niż dwutlenek węgla.
Naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory i Washington State University w Departamencie Energii wykazali, że katalizator usuwa metan ze spalin silnika zarówno w niższych temperaturach, w których silniki się uruchamiają, jak iw wyższych temperaturach, w których działają one najbardziej wydajnie, ale gdzie katalizatory często się psują.
„To prawie samomodulujący się proces, który w cudowny sposób pokonuje wyzwania, z którymi zmagają się ludzie – brak aktywności w niskiej temperaturze i niestabilność w wysokiej temperaturze” – powiedział Yong Wang, profesor Regents w Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering i jeden z czterech głównych autorów artykułu.
Rosnące źródło zanieczyszczenia metanem
Silniki napędzane gazem ziemnym napędzają od 30 do 40 milionów pojazdów na całym świecie i są popularne w Europie i Azji. Przemysł gazu ziemnego wykorzystuje je również do uruchamiania sprężarek pompujących gaz do domów. Są ogólnie uważane za czystsze niż silniki benzynowe lub wysokoprężne, ponieważ powodują mniejsze zanieczyszczenie węglem i cząstkami stałymi.
Jednak podczas uruchamiania silników na gaz ziemny emitują one niespalony, zatrzymujący ciepło metan, ponieważ ich katalizatory nie działają dobrze w niskich temperaturach. Dzisiejsze katalizatory do usuwania metanu są albo nieskuteczne przy niższych temperaturach spalin, albo ulegają poważnej degradacji w wyższych temperaturach.
„Istnieje duży nacisk na wykorzystanie gazu ziemnego, ale kiedy używasz go do silników spalinowych, zawsze będzie niespalony gaz ziemny ze spalin i musisz znaleźć sposób, aby go usunąć. W przeciwnym razie spowodujesz poważniejsze globalne ocieplenie” – powiedział współautor Frank Abild-Pedersen, naukowiec z SLAC i współdyrektor laboratorium SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, które jest prowadzone wspólnie z Uniwersytetem Stanforda. „Jeśli możesz usunąć 90% metanu ze spalin i utrzymać stabilną reakcję, to jest niesamowite”.
Katalizator z pojedynczymi atomami chemicznie aktywnego metalu rozproszonego na nośniku również wykorzystuje każdy atom drogiego i szlachetnego metalu, dodał Wang.
„Jeśli możesz sprawić, by były bardziej reaktywne”, powiedział, „to wisienka na torcie”.
Nieoczekiwana pomoc ze strony innego zanieczyszczenia
W swojej pracy naukowcy wykazali, że ich katalizator wykonany z pojedynczych atomów palladu na nośniku z tlenku ceru skutecznie usuwa metan ze spalin silnika, nawet gdy silnik dopiero się uruchamiał.
Odkryli również, że śladowe ilości tlenku węgla, które są zawsze obecne w spalinach silnika, odgrywają kluczową rolę w dynamicznym tworzeniu aktywnych miejsc reakcji w temperaturze pokojowej. Tlenek węgla pomógł pojedynczym atomom palladu w migracji, tworząc skupiska dwu- lub trzyatomowe, które skutecznie rozbijają cząsteczki metanu w niskich temperaturach.
Następnie, gdy temperatura spalin wzrosła, skupiska rozpadły się na pojedyncze atomy i ponownie rozproszyły, tak że katalizator był stabilny termicznie. Ten odwracalny proces umożliwił efektywne działanie katalizatora i wykorzystywanie każdego atomu palladu przez cały czas pracy silnika – w tym podczas rozruchu na zimno.
„Naprawdę byliśmy w stanie znaleźć sposób na utrzymanie stabilnego i wysoce aktywnego wspieranego katalizatora palladowego, a dzięki zróżnicowanej wiedzy specjalistycznej w zespole mogliśmy zrozumieć, dlaczego tak się dzieje” – powiedział pracownik naukowy SLAC, Christopher Tassone.
Naukowcy pracują nad dalszym rozwojem technologii katalizatorów. Chcieliby lepiej zrozumieć, dlaczego pallad zachowuje się w jeden sposób, podczas gdy inne metale szlachetne, takie jak platyna, zachowują się inaczej.
Badania mają jeszcze długą drogę do zrobienia, zanim zostaną umieszczone w samochodzie, ale naukowcy współpracują z partnerami branżowymi, a także z Pacific Northwest National Laboratory DOE, aby zbliżyć prace do komercjalizacji.
Wraz z Wangiem, Abildem-Pedersenem i Tassone pracami kierował także Dong Jiang, starszy pracownik naukowy w Voiland School WSU. Prace zostały sfinansowane przez DOE Office of Science i obejmowały badania przeprowadzone w Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) SLAC, Advanced Photon Source (APS) Argonne National Laboratory i National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), które są obiektami użytkowników DOE Office of Science.