Отдельные атомы палладия, прикрепленные к поверхности катализатора, могут удалить 90% несгоревшего метана из выхлопных газов двигателей, работающих на природном газе, при низких температурах, сообщили ученые в журнале Nature Catalysis.

По их словам, хотя необходимо провести дополнительные исследования, прогресс в области одноатомного катализа может снизить выбросы выхлопных газов метана, одного из худших парниковых газов, который удерживает тепло примерно в 25 раз больше, чем углекислый газ.

Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Университета штата Вашингтон показали, что катализатор удаляет метан из выхлопных газов двигателей как при более низких температурах, при которых двигатели запускаются, так и при более высоких температурах, при которых они работают наиболее эффективно, но где катализаторы часто выходят из строя.

«Это почти саморегулирующийся процесс, который чудесным образом преодолевает проблемы, с которыми боролись люди, – бездействие при низких температурах и нестабильность при высоких температурах», — сказал Йонг Ван, профессор-регент Школы химической инженерии и биоинженерии имени Джина и Линды Войланд в WSU и один из четырех ведущих авторов статьи.

Двигатели, работающие на природном газе, используют от 30 до 40 миллионов автомобилей по всему миру и популярны в Европе и Азии. Газовая промышленность также использует их для работы компрессоров, которые качают газ в дома людей. Они, как правило, считаются более чистыми, чем бензиновые или дизельные двигатели, создавая меньше выбросов углерода и твердых частиц.

Однако при запуске двигателей, работающих на природном газе, они выделяют несгоревший, улавливающий тепло метан, потому что их каталитические нейтрализаторы плохо работают при низких температурах. Современные катализаторы для удаления метана либо неэффективны при более низких температурах выхлопных газов, либо сильно разлагаются при более высоких температурах.

«Существует большое стремление к использованию природного газа, но когда вы используете его для двигателей внутреннего сгорания, в выхлопных газах всегда будет несгоревший природный газ, и вы должны найти способ удалить его. Если нет, вы вызовете более сильное глобальное потепление», — сказал соавтор Фрэнк Абилд-Педерсен, научный сотрудник SLAC и содиректор Лаборатории SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, которая управляется совместно со Стэнфордским университетом. «Если вы можете удалить 90% метана из выхлопных газов и сохранить стабильность реакции, это потрясающе».

Ван добавил, что катализатор с отдельными атомами химически активного металла, диспергированными на подложке, также использует каждый атом дорогого и драгоценного металла.

В своей работе исследователи показали, что их катализатор, изготовленный из отдельных атомов палладия на носителе из оксида церия, эффективно удалял метан из выхлопных газов двигателя даже при холодном запуске двигателя.

Они также обнаружили, что следовые количества монооксида углерода, которые всегда присутствуют в выхлопных газах двигателя, играют ключевую роль в динамическом формировании активных центров реакции при комнатной температуре. Монооксид углерода помог одиночным атомам палладия мигрировать, образуя двух- или трехатомные кластеры, которые эффективно расщепляют молекулы метана при низких температурах.

Затем, по мере повышения температуры выхлопных газов, кластеры распадались на отдельные атомы и повторно диспергировались, так что катализатор был термически стабилен. Этот обратимый процесс позволил катализатору работать эффективно и использовать каждый атом палладия в течение всего времени работы двигателя, в том числе при холодном запуске.

«Нам действительно удалось найти способ сохранить стабильность и высокую активность палладиевого катализатора на носителе и, благодаря разнообразному опыту команды, понять, почему это происходит», — сказал штатный научный сотрудник SLAC Кристофер Тассоне.

Исследователи работают над дальнейшим усовершенствованием технологии катализаторов. Они хотели бы лучше понять, почему палладий ведет себя одним образом, а другие драгоценные металлы, такие как платина, ведут себя иначе.

Исследованию предстоит пройти долгий путь, прежде чем оно будет внедрено в автомобили, но исследователи сотрудничают с партнерами по отрасли, а также с Тихоокеанской Северо-Западной национальной лабораторией Министерства энергетики США, чтобы приблизить работу к коммерциализации.