“PNNL科学家发现新做法 可减少解决汽车尾气所需的昂贵金属”

据盖特兹汽车称，为了减少排气管的污染，现在的汽油汽车和卡车配备了含有铑和钯等铂族金属的催化转换器。 随着世界各国为了应对气候变化和恶化的空气体质量要求降低车辆排放量，市场对这些金属的诉求越来越高。

太平洋西北国家实验室( pnnl )和华盛顿州立大学( washington state university )的科学家们发现，完全利用一个昂贵的金属原子，可以减少解决汽车尾气所需的金属量。 在期刊《Ange Wand TEC Hemie Internation Aledition》发表的研究中，研究人员解释说，与典型催化剂相比，采用约三分之一的铑可以减少一氧化碳和氮氧化物的排放量。

(照片来源:太平洋西北国立研究所)

华盛顿州立大学化学工程教授yong wang说:“以前有报道说相邻的铑原子会形成纳米粒子并发生反应，但这次的发现与这个观点不同，单一的铑原子比铑纳米粒子能够更好地转换污染物。”

转换例程

如果在转化过程中，催化剂能对一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物，如甲烷等三种有害物起到催化净化作用，则该催化剂被称为三元催化剂。 pnnl的研究与三元催化剂有关。 氮氧化物是一组被称为nox的污染物，是烟雾的主要成分，间接导致大气变暖。 高浓度的一氧化碳对人体有毒。 在车辆的催化转化器中，三元催化剂可以在这些化合物到达排气管之前拦截它们并将其分解，即氮氧化物转化为氮气，一氧化碳和碳氢化合物转化为二氧化碳。

内燃机采用基于三元催化剂的后解决系统已经几十年了。 但是，用于构建这些系统的贵金属价格不断高涨，其效果也存在问题。 随着车辆燃料效率更高，排气热也在下降。 因为之前传递过来的催化剂需要在高温下工作，一旦这种热量下降，就无法正常工作了。

美国能源部( doe )与国内汽车制造商合作，设计了在150℃下可以转换90%废气的材料。 在排放控制行业，150℃已经可以说是“低温”。 另外，这些材料必须足够稳定以支持数英里的移动。

为了提高反应性和稳定性而分离原子[/s2/]

pnnl研究基于wang教授及其同事的早期工作。 通过将混合物加热到800℃，研究人员“捕获”到二氧化铈或铈土(陶瓷常用粉末)载体上的各个铂原子上。 在这样高的温度下，浮游的金属原子开始粘在一起，催化能力下降。 但是，在该研究中，铂原子不是相互固定的，而是固定在氧化铈载体上。 这些孤立的原子和目标物质的反应比它们凝聚时更有效。

最近，也有将相同的原子捕获方法用于铑的研究。 在满足美国能源部150℃挑战的模型条件下，催化剂中只分散有0.1重量%的原子铑，但在120℃的温度下可以转化100%的氮氧化物。

pnnl研究者konstantin khivantsev和janos szanyi表示:“1970年，有报道称孤立的铑原子会进行这种反应，但这些实验是在溶液中进行的，铑原子因水热而不稳定。 真正启发我们的是在这样的高温下进行原子捕获的新做法。 这样，首次说明了单一的铑原子同时具有催化活性和稳定性。 ”

研究者在环境分子科学实验室( environmentalmolecularscienceslaboratory，emsl ) )进行了这项研究的实验。 该实验室是美国能源部生物环境研究计划赞助的国家科学客户设施。 研究人员使用傅里叶变换红外光谱( ftir )、透射电镜、能量分散型x射线光谱等各种类型的高分辨率图像，验证了铑原子单独分散，与一氧化碳和氮氧化物有较好的反应。

据khivantsev、szanyi、wang介绍，此次研究结果为价格高效、稳定低温的催化剂提供了新的途径，大大提高了铑的采用效率，远远高于目前的其他途径。 科学家们还计划将这种方法扩展到钯和钌等其他廉价催化金属上。