Современные каталитические нейтрализаторы для очистки выхлопных газов автомобилей с двигателем внутреннего сгорания в значительной степени способствовали снижению выбросов загрязняющих веществ. Путем окисления или восстановления, то есть передачи или принятия электронов, катализаторы превращают загрязнители горения, такие как монооксид углерода, оксиды азота и углеводороды, в диоксид углерода, воду и азот. Все более строгие нормы выбросов требуют дальнейшего снижения расхода топлива и эффективного использования системы нейтрализации выхлопных газов.
При добавлении восстановителя аммиак, образованный, например, При разложении мочевины оксиды азота превращаются в безвредный азот и водяной пар над каталитическим нейтрализатором. С этой целью обычно раствор мочевины (AdBlue®) впрыскивается в секцию выхлопных газов перед каталитическим нейтрализатором.Чтобы улучшить каталитические нейтрализаторы, необходимо точно понимать их функции и отдельные стадии реакции. «Надежные данные о происходящих реакциях могут быть получены только в условиях, приближенных к реальности», — говорит профессор Ян-Дирк Грюнвальдт, заведующий кафедрой химической технологии и катализа KIT. «Это означает, что мы должны наблюдать за работой каталитических нейтрализаторов.
Источники синхротронного излучения идеально подходят для этой цели». Синхротронное излучение — это электромагнитное излучение (от инфракрасного до жесткого рентгеновского) с энергией в несколько сотен или даже миллионов электрон-вольт.
С помощью жесткого рентгеновского излучения можно наблюдать свойства активных металлических центров в каталитическом нейтрализаторе и их взаимодействие с молекулами газа. Могут применяться два метода: (i) рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS) позволяет определить степень окисления и координационное число, то есть количество ближайших соседей атома; (ii) рентгеновская эмиссионная спектроскопия (XES), которая может использоваться для различения различных молекул, адсорбированных на каталитическом нейтрализаторе. На основании этого можно сделать вывод, какие молекулы вызывают восстановление, когда имеет место конкурирующая адсорбция, то есть если несколько веществ конкурируют за адсорбцию на каталитических преобразователях, и как отдельные молекулы координируются на атоме металла.
Группа исследователей во главе с профессором Ян-Дирком Грюнвальдтом, профессором Кристофом Р. Якобом, недавно перешедшим из KIT в технический университет Брауншвейга, и доктором Питером Глатцелем из Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция) впервые объединили вышеупомянутые методы для изучения в условиях, близких к реальности, реакций на двух каталитически активных материалах, используемых в транспортных средствах, а именно Fe-ZSM-5 и Cu-SSZ-13. Оба основаны на цеолитах, то есть особых минералах пористой структуры.
Результаты исследования представлены в журнале Chemical Communications.С помощью рентгеновских методов исследователи изучили и сравнили взаимодействия молекулы загрязняющего вещества монооксида азота и восстановителя аммиака с центрами железа и меди. «Хотя в целом реакция одинакова, мы наблюдали разные пути реакции для двух материалов каталитического нейтрализатора», — сообщает Тобиас Гюнтер, докторант кафедры химической технологии и катализа. Ученые обнаружили, что реакция на Fe-ZSM-5 основана на адсорбции монооксида азота через положительно заряженный атом кислорода.
Каталитический нейтрализатор Cu-SSZ-13, напротив, не показал такого поведения. Поскольку прямой координации через атом азота не происходило, исследователи предполагают реакцию из газовой фазы с потенциальной активацией молекулы аммиака. «Это также объясняет, почему аммиак ингибировал реакцию на Fe-ZSM-5 в отличие от Cu-SSZ-13», — объясняет Тобиас Гюнтер.Выводы группы, возглавляемой Яном-Дирком Грюнвальдтом, предоставляют ценную информацию для моделей, позволяющих лучше прогнозировать поведение каталитических нейтрализаторов в процессе эксплуатации. «Наш подход, основанный на двух рентгеновских методах, не может быть использован только для упомянутых материалов, но может быть применен ко многим другим материалам и реакциям», — говорит профессор Грюнвальдт.
В будущем этот подход подтолкнет к дальнейшему развитию и совершенствованию каталитических нейтрализаторов.