Химики разработали новый катализатор для переработки автомобильных выхлопов на основе платины и оксида церия. Стопроцентной конверсии угарного газа на таком катализаторе удается добиться при 150 градусах Цельсия, что примерно на 100 градусов ниже, чем во всех современных каталитических системах, пишут ученые в Science.

Чтобы повысить эффективность работы автомобильных двигателей, инженеры стремятся свести к минимуму количество энергии, уходящей в окружающую среду. Это приводит к тому, что и температура выхлопных газов постоянно снижается. Снижение температуры, в свою очередь, затрудняет работу катализаторов в автомобильных конвертерах, с помощью которых вредные компоненты выхлопов преобразуются в более безопасные для атмосферы и здоровья человека газы. Поэтому проблема разработки материала, позволяющего окислять угарный газ при умеренных температурах (до 200 градусов Цельсия) — одна из важных проблем современной химии катализаторов.

Чтобы можно было окислять оксид углерода при нужных температурах, химики из Китая и США под руководством Юн Вана (Yong Wang) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории предложили использовать новый тип катализатора на основе платины и оксида церия. Этот материал относится к относительно новому типу катализаторов на отдельных атомах. Он состоит из активных атомов платины, равномерно распределенных по поверхности оксида церия (с помощью похожего катализатора, в котором атомы платины распределены по поверхности медной подложки, можно, например, гидрировать непредельные углеводороды).

Атомная структура катализатора CeO₂/Pt, полученная с помощью просвечивающей электронно микроскопии. Полосы на фоне — слои оксида церия. Кружками обведены отдельные атомы платины. L. Nie et al./ Science, 2017

Для того, чтобы этот катализатор работал, его сначала при 750 градусах активировали с помощью обработки в гидротермальных условиях. При активации атом платины встраивается на место церия в поверхностном слое. Авторы работы отмечают, что подобную методику активации катализатора часто используют в цеолитных материалах, но для катализаторов на отдельных атомах его можно использовать лишь очень аккуратно и в отдельных случаях, чтобы не допустить образования металлических наночастиц.

Благодаря такой активации кислородные вакансии выходят на поверхность катализатора, и в них встраиваются молекулы воды. В результате образовавшаяся система с двумя атомами водорода легче адсорбирует молекулы угарного газа и кислорода, и осуществляет реакцию 2CO + O₂ → 2CO₂.

Изменение структуры поверхности катализатора в процессе гидротермальной обработки. На графике приведены температурные зависимости свободной энергии двух химических структур, которые пересекаются при температуре активации катализатора. L. Nie et al./ Science, 2017

Это приводит к тому, что температура, при которой происходит полная конверсия угарного газа (то есть весь угарный газ превращается в углекислый) снижается с 320 градусов Цельсия до 148. Отдельно ученые отмечают, что во время катализа не происходит дезактивации катализатора основными или побочными продуктами реакции. При этом катализатор продолжает работать и при повышении температуры (вплоть до температуры активации в 750 градусов), не подвергаясь механической и химической деградации и не снижая своей эффективности.

Авторы работы отмечают, что для эффективной работы такого катализатора необходимо наличие молекул воды в реакционной смеси, однако в автомобильных выхлопных газах они всегда присутствуют. При этом, кроме реакций конверсии угарного газа такой катализатор оказывается эффективным и для окисления других компонентов выхлопов: насыщенных и ненасыщенных углеводородов и оксидов азота. По мнению химиков, такие катализаторы уже в ближайшее время могут выйти на промышленное производство.

Оксид церия в качестве катализатора для реакций с участием кислорода используется довольно часто, но полностью объяснить его эффективность ученым до недавнего времени не удавалось. Лишь недавно химики смогли описать выигрыш энергии в процессе каталитической реакции с помощью введения нового вида конфигурационной анизотропии.

Автор: Александр Дубов