城市清洁空气动态催化转化器——铂粒子的动态结构优化废气后处理

【概要】减少车辆污染物的排放以及越发严格的废气标准是开发催化转化器所面临的主要挑战。一个新概念的提出将在城际交通工具的发动机冷启动之后有效地处理废气，并减少贵金属的消耗。

【图注】汽车的催化转化器将有毒的一氧化碳（CO）转化为无毒的二氧化碳（CO 2），由铈（Ce），氧（O）和铂（Pt）组成。

根据研究人员在Angewandte Chemie（应用化学）杂志上的报道，该转化器是基于铂和氧化铈载体之间的相互作用来控制发动机运行模式短期变化的催化活性。由于其良好的催化性能，铂通常应用于车辆的催化转化器之中，目前约有60％的欧洲铂金贸易投入此项应用。使用柴油氧化催化转化器（DOC），其中发生碳氢化合物和一氧化碳的反应后燃烧，卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家及其合作伙伴发现，铂组分在运行过程中的粒度和氧化态是可以具体修改。载体材料和应用的贵金属之间的相互作用起着重要的作用。实验结果反映其具有了高度动态的催化转化器表面，其对外部冲击（例如废气组成）具有极度敏感地反应。研究人员提出了使用这种动力学改进催化转化器的方法。

“我们甚至可以调整催化转化器表面的贵金属纳米粒子的尺寸和状态，这些方法使我们能够在相关实际的操作条件下进行，从而直接调节催化活性的材料，”KIT化学技术与聚合物化学研究所（ITCP）的科学家AndreasGänzler说道，“通过调整白金颗粒结构提高废气催化剂的催化性能”。在他们的研究中，研究人员展示了铂的状态是如何敏感地与组合物反应，即一氧化碳和氧气的比例以及废气的温度。发动机操作已经在当今使用的废气后处理系统中得到特别修改，以这种方式，调节废气组成以用于颗粒过滤器或NOx存储催化转化器的再生。研究表明，除此之外还可以通过优化设定活性铂组分达到提高催化转化器的活性并降低贵金属的消耗的目的。

在德法合作项目中，采用复杂的方法观察运行条件下的材料。通过环境透射电子显微镜（ETEM），对材料的原子水平进行了结构修饰。在法国圣奥宾的SOLEIL同步加速器和KIT卡尔斯鲁厄研究加速器KIT的X射线吸收光谱法被应用于研究在现实废气条件下的过程。 Gänzler指出：“根据实际情况下催化转化器材料的这些观察结果，研究结果可以更快地转移到应用中。”

在获得的结果的帮助下，柴油氧化催化转化器的催化活性可以在低温下得到提高。从他们的实验观察中，科学家们得出了一个有前景的基本概念，以专门调整铂颗粒的尺寸和结构，作为操作过程中所需的催化活性的函数。该概念可以用于大力提高内燃机冷起动和在城市交通中驾驶时的催化性能。“比如说，贵金属纳米粒子的结构可以受到发动机运行模式的短期修改的影响”，Gänzler解释道。

根据研究结果，可以提高可预见范围内的新型催化转化器的效率，同时提高贵金属浓度可达50％以上。ITCP的Jan-Dierk Grunwaldt教授被认为是“催化转化器研究的重大突破之一”的研究成果令人高兴。该项目是在德国德法研究合作项目“ORCA-下一代柴油车辆氧化/还原催化转化器”项目的过程中进行的。该项目由联邦经济和能源部拨款96万欧元投入资金支持。除了KIT之外，里昂机场工业研究院（IRCELYON），TU Darmstadt，Solvay公司和哈奥的材料技术和回收公司Umicore AG＆Co. KG也参与了合作项目。

原文链接：Dynamic catalytic converters for clean air in the city

本文由材料人编辑部李妹编辑，点我加入材料人编辑部。

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