นักวิจัยทำงานเพื่อลดปริมาณโลหะมีค่าในเครื่องฟอกไอเสีย

เครื่องฟอกไอเสียที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ของอเมริกาในทศวรรษที่ 1970 ใช้โลหะมีค่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อช่วยขัดล้างสารเคมีร้ายแรงและเป็นอันตรายจากไอเสียของเครื่องยนต์สันดาป เนื่องจากราคาของโลหะมีค่าเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง จำนวนการขโมยเครื่องฟอกไอเสียก็เช่นกัน ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ที่ปรากฏในNature CommunicationsและJournal of the American Chemical Societyนักวิจัยของ UCF แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถใช้อะตอมแพลทินัมเพื่อควบคุมสารมลพิษและเดินระบบที่อุณหภูมิต่ำตามลำดับ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการกำจัดสารเคมีที่เป็นอันตรายเมื่อยานพาหนะเริ่มทำงานก่อน เริ่มต้น ปรับแต่งตำแหน่งของอะตอมแพลทินัมอย่างละเอียด ใน การศึกษา Nature Communicationsทีมวิจัยของ UCF นำโดย Fudong Liu ผู้ช่วยศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมโยธา สิ่งแวดล้อมและการก่อสร้าง และ Talat Rahman ศาสตราจารย์เพกาซัสผู้มีชื่อเสียงในภาควิชาฟิสิกส์ ประสบความสำเร็จในการสร้างอะตอมเดี่ยวแพลทินัมที่มีสภาพแวดล้อมการประสานงานของอะตอมที่แตกต่างกัน ที่ตำแหน่งเฉพาะบนซีเรีย Ceria เป็นออกไซด์ของโลหะที่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา Liu และ Rahman ยังเป็นพันธมิตรกับ Catalysis Cluster for Renewable Energy and Chemical Transformations (REACT) อะตอมของแพลทินัมแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างชัดเจนในปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยา เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชันของคาร์บอนมอนอกไซด์และปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอมโมเนียในระบบบำบัดไอเสียของเครื่องยนต์ดีเซล นักวิจัยกล่าว ปฏิกิริยาออกซิเดชันจะเปลี่ยนคาร์บอนมอนอกไซด์ที่เป็นอันตรายถึงตายให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และเปลี่ยนแอมโมเนียที่เป็นอันตรายให้กลายเป็นไนโตรเจนและโมเลกุลของน้ำ ผลลัพธ์ของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวในปฏิกิริยาเป้าหมายสามารถขยายได้สูงสุดโดยการปรับโครงสร้างการประสานงานในท้องถิ่นให้เหมาะสมผ่านกลยุทธ์ที่เรียบง่ายและปรับขนาดได้ในระดับอุตสาหกรรม Liu กล่าว "ด้วยการรวมการคำนวณโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับการทดลองที่ล้ำสมัย ทีม Liu และ Rahman ได้สร้างความก้าวหน้าที่สามารถเป็นประโยชน์อย่างมากต่อชุมชนตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับความต้องการทั้งด้านสิ่งแวดล้อมและพลังงาน" Liu พูดว่า. "เราประสบความสำเร็จในการพัฒนากลยุทธ์ง่ายๆ ในการคัดเลือกสภาพแวดล้อมการประสานงานเฉพาะที่ของอะตอมเดี่ยวแพลทินัมอย่างละเอียด เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาที่น่าพอใจในปฏิกิริยาเป้าหมายที่แตกต่างกัน โรเดียม ซึ่งจะผลักดันความเข้าใจเกี่ยวกับการเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวให้ก้าวหน้าไปอีกขั้น" เขากล่าว เราะห์มานกล่าวว่าการทำงานร่วมกันของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีและการทดลองที่ทำงานร่วมกันสามารถเปิดเผยกลไกระดับจุลภาคที่รับผิดชอบในการเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาและการคัดเลือกได้อย่างไร ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชั่นคาร์บอนมอนอกไซด์ที่มีประสิทธิภาพ ใน การศึกษา ของ Journal of the American Chemical Society Liu และผู้ทำงานร่วมกันจาก Virginia Tech และ Beijing University of Technology ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์ของคาร์บอนมอนอกไซด์ของตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัม-ซีเรีย-อลูมินาอย่างมีนัยสำคัญถึง 3.5 ถึง 70 เท่าเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมที่ใช้เป็นประจำ พวกเขาทำเช่นนี้ผ่านการควบคุมที่แม่นยำของโครงสร้างการประสานงานของแพลทินัมที่ระดับอะตอมบนการสนับสนุน Ceria-Alumina ในอุตสาหกรรม Liu กล่าวว่า "โครงสร้างเฉพาะของไซต์ที่ทำงานอยู่ภายในตัวเร่งปฏิกิริยาจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา "อย่างไรก็ตาม การควบคุมที่แม่นยำของโครงสร้างการประสานงานในพื้นที่ของไซต์ที่ใช้งานอยู่ และการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างภายในกับประสิทธิภาพที่แท้จริงนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างยิ่งในฟิลด์ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน" "เราได้ทำงานเพื่อควบคุมโครงสร้างการประสานงานในท้องถิ่นของไซต์โลหะในระดับอะตอม พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูงในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการทำให้สิ่งแวดล้อมบริสุทธิ์ และเปิดเผยความสัมพันธ์ของโครงสร้างและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาในอนาคต" เขา พูดว่า. Liu และทีมของเขารายงานความสำเร็จในการสร้างโครงสร้างอะตอมชั้นเดียวและแพลทินัมอะตอมเดี่ยวที่ประสบความสำเร็จด้วยสภาพแวดล้อมการประสานงานในพื้นที่ที่ควบคุมอย่างแม่นยำบนฐานรองรับ ceria-alumina การใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสนามมืดรูปวงแหวนมุมสูง หนึ่งในผู้ร่วมเขียนหลัก Yue Lu จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีปักกิ่ง สังเกตโดยตรงว่าโครงสร้างอะตอมชั้นเดียวของแพลทินัมและโครงสร้างอะตอมเดี่ยวของแพลทินัมที่แสดงการสัมผัสโลหะ 100% ถูกฝังอยู่ใน ceria lattice หรือดูดซับบนพื้นผิว ceria ตำแหน่งอะตอมเดี่ยวแพลทินัมที่ฝังไว้มีประสิทธิภาพสูงสุดในการทำให้บริสุทธิ์ด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งเป็น 3.5 เท่าของตำแหน่งอะตอมเดี่ยวแพลทินัมที่ถูกดูดซับ และ 10 ถึง 70 เท่าของตำแหน่งอะตอมเดี่ยวแพลทินัม จากความร่วมมือกับกลุ่มวิจัยของ Hongliang Xin ที่มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทค ทั้งในเชิงการทดลองและเชิงทฤษฎี ทีมงานได้ข้อสรุปว่าโครงสร้างชั้นเดียวของอะตอมแพลทินัมฝังตัวที่ไม่เหมือนใครสามารถกระตุ้นการกระตุ้นของสายพันธุ์ออกซิเจนระหว่างผิวหน้า และส่งผลดีต่อการเกิดออกซิเดชันของคาร์บอนมอนอกไซด์ที่อุณหภูมิต่ำ งานนี้มีความสำคัญอย่างมากเนื่องจากจะช่วยให้ชุมชนตัวเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อมออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่ใช้งานได้มากขึ้นและมีประสิทธิภาพการใช้โลหะ 100% สำหรับการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อมที่เป็นเป้าหมาย Liu กล่าว "เราแสดงวิธีการควบคุมและใช้ประโยชน์จากโครงสร้างของโลหะอะตอมเดี่ยว อะตอมชั้นเดียวและไซต์คลัสเตอร์ในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมการปล่อยก๊าซ และวิธีทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของโครงสร้างและประสิทธิภาพของพวกมันโดยใช้วิธีการจำลองเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี" Liu กล่าว "สิ่งนี้จะปูทางสำหรับการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อมในอนาคตในระดับอะตอม และบรรลุประสิทธิภาพสูงในการใช้งานจริง"