Новый катализатор окисления может привести к существенному понижению содержания метана в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. Катализатор также может привести к методам создания более эффективных систем сгорания и также увеличению экологической эффективности промышленных турбин, приводящихся в действие природным газом, состоящим главным образом из метана.

Метан представляет собой парниковый газ – к парниковым относятся газы с высокой прозрачностью в видимом диапазоне и с высоким поглощением в дальнем инфракрасном диапазоне.

Присутствие таких газов в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта.

До настоящего времени было достаточно сложно понизить содержание метана в выхлопах двигателях внутреннего сгорания, поскольку при обычных температурах, которыми обладают газы при попадании в выхлопную трубу – 400°C обычные катализаторы окисления метана еще только начинают работать. Помимо этого существующие катализаторы разлагаются при увеличении температуры выхлопа – такое может происходить при движении машины с большой скоростью или при движении на подъем.

Рис. 1. Кластеры такого типа, ядром которых
является оксид палладия (синий), а оболочкой –
оксид церия (зеленый и красный), нанесенные
на поверхность из оксида алюминия, образуют
катализатор для реакции окисления метана.
(Рисунок из Science, DOI: 10.1126/science.1222887)

Объединенной группе исследователей из Университета Пенсильвании (работающих под руководством Раймонда Горте (Raymond J. Gorte) и из Университета Триеста, работающих под руководством Паоло Форнасьеро (Paolo Fornasiero), удалось разработать катализатор окисления метана, эффективно работающий при 400°C. Несмотря на то, что новая каталитическая система еще не была апробирована в реальных условиях работы двигателя внутреннего сгорания, она может стать основой для создания практически применяющихся катализаторов.

Новый катализатор представляет собой супрамолекулярную структуру, нанесенную на подложку из оксида алюминия. Супрамолекулярная структура, в свою очередь, имеет строение «ядро-оболочка» – ядро из оксида палладия связано с оболочкой из оксида церия. Для придания гидрофобности оксид алюминия обработан кремнийорганическими соединениями – это обеспечивает его совместимость с остальными компонентами катализатора, которые также гидрофобны.

TКатализатор эффективно ускоряет окисление метана при более низких температурах, чем системы, разработанные и изученные ранее – некоторые из известных катализаторов полного окисления метана начинали эффективно действовать лишь при температуре выше 600°C, теряя активность уже при 650°C. Новая каталитическая система сохраняет свою производительность при температурах до 850°C.

Исследование свойств новой системы еще только начинаются – работа нового катализатора не была изучена в присутствии компонентов выхлопа, способных отравить гетерогенный катализатор – соединений серы, антидетонационных присадок и водяного пара.

В перспективе Горте и Форнасьеро планируют более подробно изучить механизм действия нового катализатора, чтобы модифицировать его, а также создать похожие гетерогенные катализаторы для других реакций.