Групою дослідників було виявлено новий механізм реакції, який може бути використаний для створення більш ефективних каталізаторів для дизельного палива. Більше того, відкриття може знайти широке застосування у промисловості.

Групу дослідників, що здійснили відкриття, очолив Ражамані Гоундер, помічник професора в Школі хімічної промисловості Девідсона Університету Пердью. Загалом, в досліджені взяли участь представники Університету Пердью, Університету Нотр-Дама та виробник дизельних двигунів Cummins Inc. Між іншим, компанія Cummins останніх 14 років підтримує хімічні дослідження Універнситету Пердью, пов’язані зі скороченням викидів палива.

У ході досліджень науковцями було відкрито новий механізм реакції. Він може бути використаний для покращення конструкцій каталізаторів для систем контролю забруднень. Це дозволить знизити викиди, що викликають утворення смол оксидів азоту в дизельних вихлопних газах. Основна увага дослідження була зосереджена на каталізаторах, що називаються цеоліти.

Цеоліти мають кристалічну структуру, яка містить маленькі пори (близько 1 нанометра). Ці пори заповнені “активними ділянками” атомів міді, в яких відбуваються хімічні реакції. Дослідники виявили, якщо у вихлопні гази ввести аміак, то він сольватує ці іони міді. Через це вони можуть “мігрувати”, переходити в інші пори та знаходити один одного. Цей каталітичний крок досі вважався неможливим.

Ці комплекси міді та амонію прискорюють критичну реакцію взаємодії молекул кисню. Зараз для цієї реакції необхідна температура в 200 грудусів Цельсію, дослідники ж намагаються знизити її до 150. Метод працює саме завдяки тому, що окремі мідні ділянки об’єднуються та працюють в тандемі. Після завершення реакції вони повертаються в ізольоване положення. Обмеження швидкості реакції може бути нейтралізоване шляхом точного розподілу іонів міді, це призведе до зниження викидів оксидів азоту за більш низьких температур, ніж це можливо зараз.

Природоохоронне значення відкриття

“Ця реакція важливого природоохоронного значення може бути використана для очистки вихлопних газів.”

— Уільям Шнайдер, професор інженерії в Університеті Норт-Дам.

Дослідження у цьому напрямку були зумовлені потребою створити нові каталітичні конструкції, які необхідні для зниження викидів оксидів азоту або NOx, оскільки чинні працюють лише за відносно високих температур.

“Основна проблема скорочення викидів у тому, що вони можуть виникати в дуже широкому діапазоні робочих умов, особливо за температур вихлопних газів. Ймовірно найбільша проблема пов’язана зі скороченням викидів NOx за низьких температур вихлопних газів, наприклад, при холодному запускові або перевантаженому міському водінні.”

— Ражамані Гоундер, один з дослідників.

У майбутньому, ймовірніше за все, автомобілі будуть більш ефективні, тому діятимуть за низьких температур. Саме через це існує необхідність у каталізаторах, які працюють не лише в перехідних умовах, але й за тривалих низьких температур вихлопних газів.

Незважаючи на те, що проект фокусується на боротьбі з викидами, спричиненими автомобілями, найбільшу долю на ринку цеолітних каталізаторів займає нафтопереробна промисловість. Зокрема, це відкриття має велике значення для “гетерогенного каталізу”, котрий широко використовується в промисловості.

Щоб зробити це відкриття, дослідникам потрібні були технології, здатні “бачити” атоми міді під час каталітичної реакції. Жодна техніка цього зробити не може, тому вони об’єднали інформацію, отриману в ході досліджень з використанням високоенергетичних рентгенівських променів на синхротроні в Національній лабораторії Аргон з молекулярними обчислювальними моделями, виконаними на суперкомп’ютерах в Нотр-Дам Центрі Тихоокеанської північно-західної лабораторії. Результати вказують на раніше невизнаний каталітичний механізм, а також на нові напрямки для виявлення кращих каталізаторів.

Стаття про нові суттєві властивості каталізатора по перетворенню оксидів азоту опублікована 17 серпня в інтернет-журналі “Sciense”.