Основное внимание в исследовании уделяется типу катализатора, называемому цеолиты, который используется на нефтеперерабатывающих и химических заводах, а также в системах контроля выбросов для дизельных двигателей.
Необходимы новые конструкции катализаторов, чтобы уменьшить выбросы оксидов азота или NOx, потому что современные технологии работают хорошо только при относительно высоких температурах.
«Основная проблема в сокращении выбросов заключается в том, что они могут происходить в очень широком диапазоне рабочих условий, особенно при температурах выхлопных газов», — сказал Раджамани Гундер, доцент кафедры химической инженерии в Школе химической инженерии Дэвидсона Университета Пердью. «Возможно, самая большая проблема связана с сокращением выбросов NOx при низких температурах выхлопных газов, например, при холодном запуске или при вождении в загруженных городских условиях."
Однако, помимо этих «переходных» условий, будущие автомобили, естественно, будут постоянно работать при более низких температурах, потому что они будут более эффективными.
«Таким образом, нам понадобятся катализаторы, которые будут лучше работать не только в переходных условиях, но и при устойчиво более низких температурах выхлопных газов», — сказал Гаундер.
Он был одним из руководителей группы исследователей, которые обнаружили важное свойство катализатора превращать оксиды азота.
Результаты будут опубликованы в журнале Science в четверг (август. 17) и появится в одном из следующих печатных выпусков журнала.
«Результаты указывают на ранее неизвестный каталитический механизм, а также указывают на новые направления для открытия лучших катализаторов», — сказал Уильям Шнайдер, H. Клиффорд и Эвелин А. Брози, профессор инженерии в Университете Нотр-Дам. "Это очень важная для окружающей среды реакция, используемая для очистки выхлопных газов."
Работа была выполнена исследователями Purdue, Notre Dame и Cummins Inc., производитель дизельных двигателей.
«Cummins поддерживает исследования Purdue в области химического машиностроения, связанные с сокращением выбросов двигателей, в течение последних 14 лет», — сказал Алексей Езерец, директор по технологиям катализаторов в Cummins. "Эта публикация демонстрирует один из многих примеров понимания этих сложных процессов, над которыми мы вместе работали на протяжении многих лет."
Цеолиты имеют кристаллическую структуру, содержащую крошечные поры диаметром около 1 нанометра, которые заполнены «активными центрами» из атомов меди, в которых происходит химический процесс. В новых открытиях исследователи обнаружили, что аммиак, введенный в выхлопные газы, «сольватирует» эти ионы меди, так что они могут мигрировать в порах, находить друг друга и выполнять каталитическую стадию, невозможную в противном случае.
Эти медно-аммиачные комплексы ускоряют критическую реакцию разрыва связи молекул кислорода, которая в настоящее время требует, чтобы температура выхлопных газов составляла около 200 градусов Цельсия, чтобы эффективно происходить. Исследователи пытаются снизить эту температуру примерно до 150 градусов по Цельсию.
«Причина, по которой вся эта химия работает, заключается в том, что отдельные отдельные участки меди объединяются и работают в тандеме, выполняя сложный этап в механизме реакции», — сказал Гаундер. "Это динамический процесс, в котором участвуют отдельные участки меди, которые встречаются, образуя пары во время реакции для активации молекул кислорода, а затем возвращаются к изолированным участкам после завершения реакции."
Этот этап ограничения скорости может быть ускорен за счет точной настройки пространственного распределения ионов меди, что приведет к снижению выбросов оксида азота при более низких температурах, чем это возможно сейчас.
Чтобы сделать эти открытия, исследователям потребовались методы, которые могли бы «видеть» атомы меди во время каталитической реакции. Ни один метод не может этого сделать, поэтому они объединили информацию, полученную при исследованиях с использованием высокоэнергетического рентгеновского излучения на синхротроне в Аргоннской национальной лаборатории, с расчетными моделями молекулярного уровня, выполненными на суперкомпьютерах в Центре научных исследований и окружающей среды Нотр-Дама. Лаборатория молекулярных наук Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.
«Без сомнения, мы не смогли бы сделать эти открытия без разнообразной и тесно интегрированной команды и доступа к некоторым из самых мощных лабораторных и компьютерных инструментов в стране», — сказал Шнайдер.
Несмотря на то, что проект ориентирован на борьбу с загрязнением на дорогах, наибольшая доля рынка цеолитных катализаторов приходится на нефтеперерабатывающие заводы. Открытие имеет значение для «гетерогенного катализа», который широко используется в промышленности.
«В большинстве каталитических процессов в промышленности используется гетерогенная технология», — сказал Гаундер.
Авторы статьи — аспиранты Purdue Ишант Хурана, Атиш А. Парех, Артур Дж. Ши, Джон Р. Ди Иорио и Джонатан Д. Альбаррасин-Кабальеро; Аспиранты Университета Нотр-Дам Кристофер Паолуччи, Сичи Ли и Хуэй Ли; Езерец; Профессор Purdue химического машиностроения Джеффри Т. Миллер; W. Николас Делгасс, почетный профессор химической инженерии Максин Спенсер Николс из Purdue; Fabio H. Рибейро, Purdue’s R. Норрис и Элеонора Шрив профессор химического машиностроения; Шнайдер; и Gounder.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Cummins Inc.
«Это исследование является частью нашей миссии как университета, предоставляющего землю», — сказал Гоундер. «Мы работаем с компаниями в штате Индиана, и эта работа была важной частью обучения многих студентов."