Gotowe do jazdy – zastosowanie nanocząsteczek metalu w roli katalizatorów
Katalizatory – materiały, które zwiększają szybkość reakcji chemicznych, a jednocześnie same nie ulegają przemianom w ich trakcie – stanowią kluczowy element wielu technologii. Większość kierowców zna to pojęcie dzięki elementom zainstalowanym w układach wydechowych pojazdów, zmieniającym toksyczne spaliny w mniej szkodliwe gazy. Katalizatory są jednak często bardzo drogie, ponieważ zwykle zawierają jeden lub więcej rzadkich metali szlachetnych, takich jak platyna, pallad czy rod. Zespołowi finansowanego przez Unię Europejską projektu PROMETHEUS udało się znaleźć sposób na rozwiązanie tego problemu firm z sektora motoryzacyjnego w postaci metody na zapewnienie takiej samej sprawności katalizatorów przy zużyciu zaledwie jednej dziesiątej ilości metali szlachetnych. „Dotychczas jakość katalizatorów samochodowych zależała w zasadzie bezpośrednio od ilości metali z grupy platynowców w ich składzie. Zespół projektu PROMETHEUS udowodnił, że nanotechnologia może pomóc nam w produkcji katalizatorów samochodowych wykorzystujących o 85 % mniej metali szlachetnych, oferujących takie same osiągi jak katalizatory komercyjne wykorzystywane w pojazdach spełniających normy emisji spalin Euro 6D”, zauważa Iakovos Yakoumis, koordynator projektu PROMETHEUS i założyciel firmy MONOLITHOS Catalysts koordynującej projekt.
Nanotechnologia kluczem do zwiększenia reaktywności
Aby być w stanie spełniać coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin producenci samochodów są zmuszeni do wykorzystywania coraz większej ilości metali z grupy platynowców w katalizatorach. Metale te charakteryzują się bardzo wysoką skutecznością w zakresie selektywnej redukcji katalitycznej, co oznacza, że są w stanie redukować tlenki azotu do nieszkodliwego azotu i wody. W ramach projektu PROMETHEUS uczestnikom udało się zsyntetyzować katalizatory na bazie nanomateriałów w postaci proszku, co pozwoliło na uniknięcie gromadzenia się cząstek metali. W przeciwieństwie do swoich większych odpowiedników nanocząsteczki charakteryzują się większą powierzchnią, dzięki której mogą osiągać na przykład większą reaktywność. „Konstrukcja nowatorskiego katalizatora opiera się na nanocząsteczkach miedzi, czyli metalu charakteryzującego się stosunkowo niską sprawnością katalityczną w porównaniu z innymi platynowcami. Aby zrekompensować te niedostatki, zespół MONOLITHOS dodał większą ilość miedzi do mieszaniny katalizującej, niemal bez zwiększania jej kosztów”, wyjaśnia Yakoumis. Pomimo gwałtownego wzrostu cen miedź jest nadal znacznie tańsza od innych metali z grupy platynowców.
Szczegółowy obraz procesu przygotowania katalizatora
Po raz pierwszy w historii naukowcom udało się zsyntetyzować duże (przeszło 100-kilogramowe) partie aktywnych katalizatorów w formie proszku, zawierających miedź, pallad i rod. Na potrzeby syntezy heterogenicznych nanokatalizatorów badacze zastosowali powszechnie stosowaną metodę zwaną impregnacją na mokro. Proces zol-żel posłużył do osadzania nanocząsteczek na monolitycznym nośniku katalizatora, który został zoptymalizowany pod kątem uzyskania największej możliwej powierzchni czynnej oraz pojemności magazynowania tlenu – oba te czynniki odgrywają kluczową rolę w aktywności katalitycznej reakcji utleniania. Badacze zastosowali również specjalne spoiwo w celu uzyskania jednolitej impregnacji katalizatora w ścianach monolitycznego podłoża. Wszystkie materiały zostały scharakteryzowane przy pomocy zróżnicowanych technik mikroskopowych. W celu skutecznego pomiaru aktywności katalitycznej w przypadku emisji wielu gazów (tlenku węgla, tlenków azotu i metanu) zwilżonych parą wodną, zespół firmy MONOLITHOS wykorzystał stanowisko testowe wykorzystujące gazy syntetyczne. Stanowisko to pozwala na wytwarzanie atmosfer gazowych i uzyskiwanie temperatur reakcji charakterystycznych dla katalizatorów samochodowych. Aby zbadać kwestię starzenia się katalizatorów, pracownicy umieścili je w piecu, w którym zachodzą reakcje hydrotermiczne w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Opracowany w ramach projektu PROMETHEUS katalizator przetrwał proces postarzania hydrotermicznego, prowadzony przy wilgotności 10 %, w temperaturze 1 050°C przez 4 godziny oraz w temperaturze 850°C przez 16 godzin. „Pomimo ograniczenia ilości platynowców do zaledwie 15 %, nasze katalizatory charakteryzują się podobną skutecznością jak dostępne na rynku katalizatory Euro 6D”, zauważa Yakoumis. Dotychczas różne podmioty poszukiwały sposobów na zmniejszenie zawartości platynowców w katalizatorach. Wytwarzanie nanocząsteczek metalu, czyli podejście zastosowane przez firmę MONOLITHOS, okazuje się prawdziwie obiecującym rozwiązaniem, dzięki któremu samochody na naszych drogach staną się bardziej ekologiczne.
Słowa kluczowe
PROMETHEUS, katalizator, MONOLITHOS, metale z grupy platynowców, nanocząsteczki, miedź, metale szlachetne, katalizator, reaktywność
