研究人員宣布，單個(gè)鈀原子附著在催化劑上，可以在低溫下有效去除天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中90%未燃燒的甲烷。這種創(chuàng)新的單原子催化有可能減少甲烷的排放，甲烷是一種重要的溫室氣體。

研究人員演示制定一種方法，從燃燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣中去除強(qiáng)效溫室氣體。

一種使用單個(gè)鈀原子的新型催化劑可以有效地從天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除90%未燃燒的甲烷，這可能會(huì)大大減少天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放為減少溫室氣體排放作出貢獻(xiàn)。進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行中，以推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)并更接近商業(yè)化。

Revolutio控制甲烷排放:一種新的催化劑方法

科學(xué)家在7月20日的《自然催化》雜志上報(bào)告說(shuō)，在低溫下，附著在催化劑表面的單個(gè)鈀原子可以從天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除90%未燃燒的甲烷。

他們說(shuō)，雖然還需要做更多的研究，但單原子催化技術(shù)的進(jìn)步有可能降低甲烷的廢氣排放。甲烷是最嚴(yán)重的溫室氣體之一，其吸熱速度約為二氧化碳的25倍。

跨越發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的有希望的結(jié)果

來(lái)自美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和華盛頓州立大學(xué)的研究人員表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的較低溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)最有效運(yùn)行的較高溫度下，催化劑都能從發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除甲烷，但在較高溫度下，催化劑往往會(huì)失效。

目前用于從天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除未燃燒甲烷的催化劑，要么在較低的啟動(dòng)溫度下效率低下，要么在較高的工作溫度下會(huì)分解。SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和華盛頓州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種新型單原子催化劑解決了這兩個(gè)問(wèn)題，并去除了90%的甲烷。該圖描繪了單個(gè)鈀原子(白色)去除催化劑表面的甲烷(白色氣泡)。圖片來(lái)源:Cortland Johnson/太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

“這幾乎是一個(gè)自我調(diào)節(jié)的過(guò)程，奇跡般地克服了人們一直在與之斗爭(zhēng)的挑戰(zhàn)——低溫不活動(dòng)和高溫不穩(wěn)定，”華盛頓州立大學(xué)基因和琳達(dá)沃伊蘭化學(xué)工程和生物工程學(xué)院的董事教授王勇說(shuō)，他是該論文的四位主要作者之一。

解決天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的甲烷排放問(wèn)題

全世界有3000萬(wàn)至4000萬(wàn)輛汽車(chē)使用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在歐洲和亞洲很受歡迎。天然氣工業(yè)也用它們來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將天然氣輸送到人們的家中。它們通常被認(rèn)為比汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更清潔，產(chǎn)生的碳和顆粒污染更少。

然而，當(dāng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它們會(huì)釋放出未燃燒的、吸熱的甲烷，因?yàn)樗鼈兊拇呋D(zhuǎn)換器在低溫下不能很好地工作。目前用于去除甲烷的催化劑要么在較低的排氣溫度下效率低下，要么在較高的溫度下嚴(yán)重降解。

催化劑的生態(tài)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境nmental影響

“使用天然氣是一個(gè)很大的動(dòng)力，但是當(dāng)你把它用于內(nèi)燃機(jī)時(shí)，廢氣中總會(huì)有未燃燒的天然氣，你必須找到一種方法來(lái)去除它。如果不這樣做，你會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的全球變暖，”共同作者弗蘭克·阿比爾-佩德森說(shuō)，他是SLAC的工作人員科學(xué)家，也是與斯坦福大學(xué)聯(lián)合運(yùn)行的SUNCAT界面科學(xué)與催化中心的聯(lián)合主任。“如果你能從廢氣中去除90%的甲烷，并保持反應(yīng)穩(wěn)定，那將是巨大的?！?/p>

王補(bǔ)充說(shuō)，將化學(xué)活性金屬的單個(gè)原子分散在載體上的催化劑也使用了昂貴而珍貴的金屬的每個(gè)原子。

“如果你能讓它們更具反應(yīng)性，”他說(shuō)，“那就錦上添花了?！?/p>

碳Mo的作用氧化催化劑效率

在他們的工作中，研究人員表明，他們的催化劑由氧化鈰支架上的單個(gè)鈀原子制成，即使在發(fā)動(dòng)機(jī)剛剛啟動(dòng)時(shí)，也能有效地從發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中去除甲烷。

他們還發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中始終存在的微量一氧化碳在室溫下動(dòng)態(tài)形成反應(yīng)活性位點(diǎn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。一氧化碳幫助鈀的單原子遷移，形成兩個(gè)或三個(gè)原子團(tuán)簇，在低溫下有效地分解甲烷分子。

然后，隨著排氣溫度的升高，這些團(tuán)簇分解成單個(gè)原子并重新分散，因此催化劑具有熱穩(wěn)定性。這一可逆過(guò)程使催化劑能夠有效地工作，并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中使用每一個(gè)鈀原子——包括它開(kāi)始變冷的時(shí)候。

SLAC工作人員科學(xué)家Christopher Tassone說(shuō):“我們確實(shí)能夠找到一種方法來(lái)保持負(fù)載鈀催化劑的穩(wěn)定和高活性，并且由于整個(gè)團(tuán)隊(duì)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)不同，我們可以理解為什么會(huì)發(fā)生這種情況。”

未來(lái)的發(fā)展方向

研究人員正在努力進(jìn)一步推進(jìn)催化劑技術(shù)。他們想更好地理解為什么鈀的行為是一種方式，而鉑等其他貴金屬的行為卻不同。

這項(xiàng)研究在投入汽車(chē)之前還有一段路要走，但研究人員正在與行業(yè)合作伙伴以及美國(guó)能源部的太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，使這項(xiàng)工作更接近商業(yè)化。

參考文獻(xiàn):“亞納米級(jí)鈀在氧化鈰上的動(dòng)態(tài)可逆轉(zhuǎn)化用于高效甲烷脫除”，作者:姜東，萬(wàn)剛，Joakim Halldin Stenlid, Carlos E. García-Vargas，張江浩，孫成軍，李俊瑞，F(xiàn)rank Abild-Pedersen, Christopher J. Tassone，王勇，2023年7月20日，Nature Catalysis。DOI: 10.1038 / s41929 - 023 - 00983 - 8

除了Wang、abld - pedersen和Tassone，華盛頓州立大學(xué)Voiland學(xué)院的高級(jí)研究員Dong Jiang也領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作。這項(xiàng)工作由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室資助，包括在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源(APS)和國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)進(jìn)行的研究，這些都是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶(hù)設(shè)施。

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