Дешевые катализаторы очистят выхлопные газы дизельных автомобилей

Дешевые материалы катализаторов помогут автомобилестроителям соответствовать установленным нормам выбросов вредных газов для своих автомобилей (фото: Ingram Publishing).

Благодаря достижениям химиков, дорогие платиновые катализаторы, очищающие выхлопные газы дизельных автомобилей, теперь могут быть заменены более дешевыми. Это открытие поможет снизить стоимость малолитражных двигателей, в том числе и для автомобилей с бензиновым топливом, что позволит производителям автомобилей соответствовать жестким нормам выбросов газов.

В научно-исследовательских лабораториях компании General Motors (штат Мичиган, США) группа ученых под руководством Вэя Ли (Wei Li) показала, что оксид перовскита, легированный стронцием и палладием, лучше, чем платина, очищает выхлопы двигателей внутреннего сгорания. Легковые автомобили с такими двигателями (как правило, дизельные) дороже, но выделяют меньше парниковых газов и потребляют меньше топлива на километр пути, чем автомобили с обычными бензиновыми двигателями.

Джим Паркс (Jim Parks), работающий над катализаторами в Национальной Лаборатории Окриджа (штат Теннеси, США) утверждает, что, если бы можно было исключить платину из катализаторов дизельных двигателей, то «разница в цене была бы относительно небольшой – около 100-400 долларов США в зависимости от размера автомобиля». Но более важный момент этой новейшей технологии заключается в том, что она позволила бы автопроизводителям рассмотреть вопрос об использовании малолиражных двигателей в бензиновых автомобилях для увеличения экономии топлива.

«Сейчас мы проводим испытания нового катализатора на автомобилях. Трудно предсказать, когда это изобретение достигнет коммерческого производства, но, возможно, уже через несколько лет», - говорит Ли. Результаты исследований ученых опубликованы в недавнем выпуске журнала Science [1].

Скажите платине «нет»

«Основная часть стоимости дизельного автомобиля - это стоимость системы очистки выхлопа, - говорит Ли, - и значительная часть этой стоимости образуется из-за использования платины».

По словам британского химика Дэвида Джолли (David Jollie) и изготовителя катализаторов Джонсона Мэтти (Johnson Matthey), трехстадийный каталитический конвертер бензиновых автомобилей, удаляющий из выхлопа окиси азота, угарный газ и углеводороды, использует около 1г платины, а катализаторы в дизельных двигателях - в 5-10 раз больше. В настоящее время стоимость платины составляет 1580 долларов США за унцию (1 унция эквивалентна приблизительно 31 граммам). Но цена меняется: 2 года назад она превышала 2000 долларов США за унцию.



Дорогие платиновые катализаторы объясняют причину высокой стоимости малолитражных автомобилей (фото: Ingram Publishing).

Платина необходима, потому что при работе на обедненной смеси двигатель потребляет меньше топлива и больше кислорода. В этих условиях стандартный каталитический трехстадийный конвертер будет контролировать выделение угарного газа, но не сможет эффективно очистить газы от оксидов азота, основного компонента смога. Вместо этого катализатор преобразует оксид азота (NO) в диоксид азота (NO2), и затем в атмосферный азот. Платина необходима для превращения NO в NO2.

Можно обходиться и без платиновых катализаторов. Многие производители автомобилей в США, где установлены жесткие нормы по эмиссии оксидов азота двигателями, уже используют технологию, подразумевающую использование мочевины, которая затем разлагается до аммиака, впоследствии реагирующего с оксидами азота с образованием атмосферного азота и воды. Но при холодной погоде мочевина может замерзать и, к тому же, со временем расходуется.

Что же лучше всего?

В течение нескольких десятилетий оксиды перовскита изучались на предмет использования их в качестве катализатора, но Ли и его коллегам удалось выяснить, что замена атомов в кобальто-лантановом или марганцево-лантановом перовскитах на атомы стронция значительно улучшила их работу при окислении NO.

К тому же, добавляя к катализатору палладий, ученые смогли избежать отравления минералов серой, которая выделяется с выхлопами. Палладий – редкий металл, но он на 70% дешевле платины. По словам Ли и его коллег, их система с точки зрения цены и качества превосходит коммерчески доступные аналоги.

«Я в первый раз вижу систему с таким высоким уровнем окисления без использования благородных металлов», - говорит Луиза Ольссон (Louise Olsson), исследующая топливные катализаторы в Технологическом Университете Чалмерса в Гетеборге (Chalmers University of Technology) (Швеция).

«Я работал над созданием такого катализатора 13 лет назад, но не смог получить подобных результатов, - говорит бельгийский технолог Оуэн Бэйли (Owen Bailey), который в настоящее время занимается разработкой похожего катализатора, - Благодаря достижению Ли и его коллег появилась отличная возможность повысить экономичность двигателей».

Однако главной проблемой остается внедрить это изобретение в современное автомобилестроение.

Литература:
1. Kim, C. H. et al. Science 327, 1624-1627 (2010)

По материалам:
NatureNews