La préparation des catalyseurs en envoyant des échappements chauds et torrides sur eux pourrait améliorer leur efficacité et réduire la quantité de métaux rares et coûteux requis dans les convertisseurs catalytiques des véhicules et de nombreux autres processus de contrôle des émissions et industriels.
Rapport dans le journal Natureune équipe internationale de chercheurs a constaté que l'échappement de la voiture chaude contenant des oxydes d'azote et du monoxyde de carbone provoquait une réaction auparavant inconnue qui, utilisée de manière proactive, peut améliorer considérablement l'activité catalytique. Les catalyseurs sont des substances qui augmentent le taux de réactions chimiques.
Les chercheurs ont constaté que l'échappement chaud encourageait les particules de Ceria, l'une des composantes des matériaux de catalyseur, à former des grappes bidimensionnelles de la taille de la taille nano. Ces grappes, couvrant densément la surface, créent de nombreux sites où des réactions chimiques peuvent se produire, augmentant l'efficacité du processus.
La méthode crée également un grand nombre d'ions d'oxygène liés à lié liés aux atomes de cérium, qui peuvent se déplacer facilement et améliorer davantage de nombreuses réactions catalytiques courantes qui nécessitent d'ajouter ou de retirer de l'oxygène.
« Ils agissent comme une éponge d'oxygène, et une fois que l'oxygène est facilement activé, il est très utile pour de nombreuses réactions nécessitant de l'oxygène, comme l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone », a déclaré Yong Wang, l'un des auteurs et du BioEngering de l'Université de l'État de Washington et de la Linda de l'étude et de l'ingénierie chimique et du bioengine.
« Cela offre une meilleure conception d'un catalyseur pour plusieurs réactions. »
Découvert de manière sérendée, la nouvelle méthode de traitement s'est avérée améliorer l'activité catalytique d'environ 10 fois.
« La chance a été un facteur à ce sujet. Parfois, nous tombons simplement sur une grande découverte scientifique. En même temps, celle-ci est d'un intérêt pratique », a déclaré Wang, qui tient également une nomination conjointe avec le Pacific Northwest National Laboratory.
Les chercheurs essaient continuellement d'améliorer les convertisseurs catalytiques et autres technologies de contrôle des émissions. Au cours de leur vie, ces technologies pour éliminer les polluants des flux d'échappement des voitures ou des centrales électriques deviennent moins efficaces.
Les fabricants doivent inclure des quantités supplémentaires de métaux rares et coûteux, tels que le rhodium, le platine ou le palladium, dans le convertisseur pour compenser la dégradation du catalyseur et répondre aux normes d'émission requises.
Un mystère qui a confondue l'industrie depuis de nombreuses années est que, bien que les matériaux métalliques de taille nano dans les convertisseurs catalytiques soient connus pour « friser » ou glob ensemble en particules plus grandes et deviennent inefficaces au fil du temps lorsqu'elles sont exposées à des conditions très chaudes et difficiles de la vapeur d'échappement, les convertisseurs catalytiques tiennent en quelque sorte mieux que prévu.
« Si vous regardez la croissance de la taille des particules de Ceria, vous vous attendriez à une réduction d'au moins une centaine de fois l'activité, et ce n'est pas le cas », a déclaré Konstantin Khivantsev, scientifique du personnel et ingénieur chimique au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et un auteur correspondant. « Il y a un processus qui n'a pas été découvert ou reconnu, mais il a contribué à une amélioration de la dispersion et de l'activité catalytique. »
Les chercheurs, y compris ceux de WSU, PNNL, de l'Université du Nouveau-Mexique, de l'Université de Sofia, de la Bulgarie et de l'Université Purdue, ont décidé de vieillir artificiellement un catalyseur pour l'étudier. Cependant, au lieu d'utiliser juste de l'eau, qui est un composant typique des tests de vieillissement, ils ont décidé de faire fonctionner des échappements de voiture très chauds sur le catalyseur pendant plusieurs heures. Ils ont observé que les performances du catalyseur s'amélioraient plutôt que dégradées.
« Donc, cela fait partie du plaisir de faire des recherches parce que l'intuition nous a dit que le catalyseur se désactiverait, et les résultats étaient le contraire complet », a déclaré Abhaya Datye, émérite émérite de Regents Distinguished Regents à l'Université du Nouveau-Mexique et auteur correspondant.
« Nous nous sommes ensuite demandé si c'était réel et avons répété l'expérience plusieurs fois. L'étape suivante était de comprendre la science. »
Ils ont découvert que les convertisseurs catalytiques ne se dégradent pas aussi rapidement que prévu car l'échappement de la voiture chaude, à l'insu des chercheurs sur le terrain, avait en fait aidé les réactions parfois en courtes rafales lorsque l'échappement de la voiture était à des températures particulièrement élevées.
En termes d'impact pratique, les chercheurs souhaitent désormais utiliser le processus de traitement exprès – activant le catalyseur et formant délibérément l'état réactif au début de la vie du catalyseur.
La nouvelle technique de traitement pourrait permettre la réduction de la quantité de métaux précieux, tels que le rhodium, requis dans le catalyseur, offrant des économies de coûts importantes. Les convertisseurs catalytiques dans une voiture contiennent généralement environ 800 $ de rhodium.
« Dans les catalyseurs usées, des plaques atomiquement minces de Ceria qui se sont formées lors de la dispersion des nanoparticules de Ceria sont en contact avec des métaux précieux, tels que le rhodium et le platine », a déclaré János Szanyi, auteur et scientifique du personnel correspondant chez PNNL. « Cela permet aux catalyseurs de survivre à des conditions de température sévères de l'échappement du véhicule et de maintenir leur activité. »
Les chercheurs ont testé leur traitement de catalyseur à l'échelle du laboratoire. Ils travaillent également avec des partenaires de l'industrie pour les tester dans des véhicules dans des conditions de fonctionnement réelles.
