Как создать самый эффективный каталитический конвертер

Непрогретые каталитические конвертеры работают плохо. Всё дело в микроскопических частицах металла, основе любого конвертера, которым требуется разогрев до некоторой минимальной температуры, прежде чем они смогут выйти на свою настоящую эффективность.

Благодаря новому методу измерения, разработанному в Венском техническом университете (Австрия), стало возможным одновременное детальное изучение различных типов частиц.

И в итоге впервые была получена надёжная сравнительная информация о том, от чего же в действительности зависит эффективность каталитических конвертеров.

12-researchersc-600.jpg Рис. 1. Эксперимент с поликристаллической каталитической плёнкой (здесь и ниже иллюстрации Vienna University of Technology).

По словам учёных,

наибольшая часть всех вредных выбросов генерируется сразу после старта двигателя, с ещё холодным каталитическим конвертером. И лишь после достижения определённой температуры происходит запуск каталитической активности конвертера.

Зная это, автопроизводители разработали сложные и дорогие нагревательные системы, позволяющие как можно быстрее приводить конвертер в рабочее состояние. Ясно, что альтернативный путь — создание конвертера, способного функционировать при как можно более низких температурах, — позволил бы сохранить немало денег и энергии.

Значение критической температуры, которой необходимо достичь конвертеру, должно напрямую зависеть от используемого в нём материала; в качестве последнего чаще всего выступают платина или палладий.

А в обеспечении каталитической активности материала важнейшую роль играет кристаллографическая ориентация поверхности микроскопических металлических гранул. У этого явления есть природная аналогия. Внешние поверхности природных кристаллов могут формироваться в различных направлениях, и их ориентация во многом определяет химическое поведение самих кристаллов.

Можно смело предположить, что и в случае с металлическими кристаллами поверхности с разными кристаллографическими направлениями требуют своих температур для запуска каталитической активности.

С теорией разобрались, теперь нужны реальные данные. Ранее детальное исследование описанного выше эффекта было невозможным, поскольку конвертер состоит из бесчисленного количества микроскопических гранул: можно было измерить лишь некоторую среднюю активность смеси разноориентированных гранул, что никакого знания не прибавляло (измерения необходимо проводить во время реакции, а потому ограничиться одной или несколькими гранулами никак нельзя, реакция будет незаметна). Австрийские учёные, однако, нашли выход, применив фотоэмиссионный электронный микроскоп, базирующийся на фотоэффекте Эйнштейна. Этот метод позволил проанализировать температуры запуска каталитической активности индивидуальных металлических гранул прямо во время реакции. Для этого была использована каталитическая плёнка из большого количества тесно расположенных микроскопических кристаллов (около 100 мкм в диаметре).

В результате, проводя медленное нагревание плёнки катализатора под микроскопом, учёные смогли доказать правильность своей теоретической предпосылки: каталитическая активность включалась при разных температурах у зёрен с разной кристаллографической ориентацией поверхности.

Подчеркнём, что сравнение активности зёрен проводилось одновременно в одних и тех же условиях в течение одного эксперимента. Это важно, поскольку воспроизведение внешних условий, которые могут влиять на значение получаемых экспериментальных данных, — практически невыполнимая задача, а значит, всегда есть место для сомнений. В данном случае никаких сомнений быть не может: все кристаллы находились в абсолютно одинаковых внешних условиях.

clipboard_0.jpg Рис. 2. Вверху: примеры кристаллографических направлений формирования поверхностей кристаллов. Внизу: окисление на поверхности палладия начинается при температуре на 50 градусов ниже, чем на такой же поверхности платины.

И вот результат:

авторы работы выяснили, какое именно кристаллографическое направление обещает достижение наиболее низкой температуры начала каталитической активности, а также получили данные о том, что палладий всё же работает лучше платины. Теперь можно попробовать осмысленно поискать такой производственный процесс, который позволит создать конвертер, способный сохранить значительное количество денег и энергии.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (4 votes)
Источник(и):

1. Венский технический университет

2. compulenta.ru