Каталитические нейтрализаторы станут эффективнее и дешевле благодаря саудовским ученым

Технологии для снижения концентрации опасных частиц и соединений в выхлопных газах машин — одно из самых противоречивых явлений в отрасли. Тем не менее, они буквально спасают тысячи жизней ежегодно. И прогресс не стоит на месте: потенциальный прорыв нащупали ученые из Саудовской Аравии.

В чем проблема

Роль каталитических нейтрализаторов в общих чертах понятна многим автомобилистам — они в значительной степени удаляют из выхлопов оксиды азота (NOx), угарный газ (CO) и не до конца сгоревшие углеводороды (CHx). Либо мешают нормальной работе двигателя, если верить ярым противникам всех «экологических приблуд» в моторах. Почему последняя точка зрения крайне порочна, мы уже не раз писали: например, про детскую астму, а также миллионы смертей от заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной систем в результате загрязнения воздуха. А положительный эффект от ужесточения экологических норм для колесного транспорта только в США сохранил не менее 28 тысяч жизней за девять лет (исследование 2021 года).

Несмотря на подтвержденную эффективность, конкретно катализаторы в выхлопной системе автомобилей имеют ряд ограничений. Они хорошо выполняют свою задачу, только если в цилиндры двигателя поступает смесь со стехиометрическим соотношением топлива и воздуха (погрешность не должна превышать 5%). То есть вредные примеси удаляются из выхлопов, если мотор работает в идеальном режиме. Под повышенной нагрузкой либо «на холодную» каталитические нейтрализаторы бесполезны. Дело в принципе их работы.

На первом этапе (восстанавливающем) оксиды азота разлагаются на свободный азот (N2) и кислород (O2). А следующая ступень (окислительная) использует полученный перед ней кислород для окончательного окисления углеводородов, которые по какой-то причине не сгорели в двигателе. Там же происходит «доокисление» угарного газа до углекислого (CO2). В итоге порядка 95% наиболее вредных соединений поглощаются и на срезе выхлопной трубы остаются безвредные вода с азотом, а также сравнительно безопасный CO2 (его порок лишь в усугублении парникового эффекта). Чтобы все процессы протекали, как задумано инженерами и химиками, на входе в каталитический нейтрализатор соотношение газов должно быть оптимальным.

Холодный двигатель требует богатой смеси (больше топлива, меньше воздуха), то есть катализатору не хватает кислорода, следовательно на выходе на удается связать все свободные углеводороды и угарный газ. Аналогичная ситуация возникает в режимах повышенной мощности. Плюс катализатор работает только в определенном диапазоне температур, поэтому его устанавливают как можно ближе к выпускным патрубкам блока цилиндров. И все вышесказанное справедливо для бензиновых моторов, с дизельными обстановка гораздо сложнее.

Двигатели с воспламенением топливно-воздушной смеси сжатием работают на обедненной смеси (много воздуха, мало солярки), то есть резко возрастает количество NOx в выхлопе (они формируются при нагреве кислорода с азотом выше определенного предела). При этом выхлопные газы дизельных моторов имеют, в среднем, более низкую температуру, чем у бензиновых ДВС — восстановительная часть катализатора на основе платины и родия просто не может работать. Современные дизельные двигатели для нейтрализации оксидов азота оснащаются системами впрыска мочевины в выхлопную систему. Это решение не идеально, так что ученые ищут альтернативные материалы катализаторов.

Инновация из Саудовской Аравии

В качестве одного из наиболее перспективных металлов для низкотемпературных (менее 200 градусов) каталитических нейтрализаторов рассматривается марганец (Mn) с добавлением церия (Ce). Однако несмотря на обнадеживающие результаты исследований и экспериментов, ученые до сих пор не могут придти к однозначному выводу, какую роль в химических реакциях с таким катализатором выполняет церий. Прояснить данный вопрос взялась группа специалистов из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST, Саудовская Аравия). В исследовании принимали участие сотрудники компании Umicore AG (Германия), а также Университета Гренобля в Альпах (Франция). Статья с результатами работы опубликована в рецензируемом журнале Nature Communications.

Схематическое представление протекающих на марганцевом катализаторе реакций: голубые шарики — оксид титана (подложка), розовые — оксид марганца, салатовые — оксид церия. «Пролетающие» мимо молекулы газа (синий — азот, красный — кислород, белый — водород): оксид азота (NO), аммиак (NH3), закись азота (N2O), вода (H2O), свободный азот (N2).

Для начала исследователи проанализировали уже проделанные исследования по вопросу и обнаружили, что церий не участвует в усилении каталитической активности марганца. Заметить этот ранее уходивший от внимания ученых факт удалось проведя анализ ранее выполненных экспериментов с учетом площади катализатора. Тем не менее, положительный эффект от редкоземельного металла в марганцевых нейтрализаторах нашелся: он подавляет выработку нежелательного побочного продукта — закиси азота (N2O). Чтобы проверить наиболее эффективную конфигурацию катализатора команда из KAUST провела серию экспериментов.

Ученые изготовили несколько образцов из материала для перспективных нейтрализаторов обеспечив в каждом гомогенную наноструктуру. Но соотношение церия с марганцем в них отличалось. В результате удалось определить оптимальное содержание церия и распределение активных доменов марганца на подложке. Успех исследования имеет все шансы обернуться появлением не только эффективных и дешевых каталитических нейтрализаторов для дизельных двигателей, которые сведут на нет использование набивших оскомину систем впрыска мочевины. Температура выхлопа современных бензиновых моторов также падает с каждым новым поколением. Поэтому низкотемпературные катализаторы им тоже нужны.