蓋世汽車訊 為了減少排氣管污染，當今的汽油汽車和卡車都配備了含有鉑族金屬（如銠和鈀）的催化轉(zhuǎn)化器。而隨著世界各國不斷尋求降低車輛排放，以應(yīng)對氣候變化和惡化的空氣質(zhì)量，市場對這些金屬的需求不斷增加。

太平洋西北國家實驗室（PNNL）和華盛頓州立大學(xué)（Washington State University）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，通過充分利用每一個昂貴金屬原子，可以減少處理汽車尾氣所需的金屬的數(shù)量。在期刊《Angewandte Chemie International Edition》發(fā)表的一項研究中，研究人員證明，與典型催化劑相比，使用約三分之一的銠可以成功減少一氧化碳和氮氧化物的排放。

（圖片來源：太平洋西北國家實驗室）

華盛頓州立大學(xué)化學(xué)工程教授Yong Wang表示：“傳統(tǒng)的方法是相鄰的銠原子形成納米粒子發(fā)生反應(yīng)，而此次的發(fā)現(xiàn)與該觀點不同，我們發(fā)現(xiàn)，與銠納米粒子相比，單個銠原子可以更好地轉(zhuǎn)化污染物?！?/p>

轉(zhuǎn)換常規(guī)

在轉(zhuǎn)化過程中，如果催化劑能同時對一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物（如甲烷等）三種有害物起催化凈化作用，這種催化劑就稱為三效催化劑。而PNNL的研究就與三效催化劑有關(guān)。氮氧化物是一組被稱為NOx的污染物之一，是煙霧的主要成分，會間接導(dǎo)致大氣變暖。而高濃度的一氧化碳對人體有毒。在車輛的催化轉(zhuǎn)化器中，三效催化劑可在這些化合物到達排氣管之前攔截并分解它們，即可以將氮氧化物轉(zhuǎn)化為氮氣，將一氧化碳和碳氫化合物轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

在內(nèi)燃機中使用基于三效催化劑的后處理系統(tǒng)已經(jīng)有幾十年了。但是，除了用于構(gòu)建這些系統(tǒng)的貴金屬價格飛漲之外，其功效也存在問題。隨著車輛變得更加省油，排氣熱量也不斷降低。而傳統(tǒng)催化劑需要在高溫下工作，因此熱量降低會使其無法正常發(fā)揮作用。

美國能源部（DOE）與國內(nèi)汽車制造商合作，以設(shè)計出能夠在150℃下轉(zhuǎn)化90%尾氣排放的材料。在排放控制領(lǐng)域，150℃已經(jīng)算得上“低溫”了。此外，這些材料還必須足夠穩(wěn)定，從而支持數(shù)英里的出行。

分離原子以提高反應(yīng)性和穩(wěn)定性

PNNL研究建立在Wang教授及其同事的早期工作基礎(chǔ)上。通過將混合物加熱至800℃，研究人員“捕獲”到在二氧化鈰或鈰土（一種常用于陶瓷中的粉末）載體上的單個鉑原子。而在如此高的溫度下，漂浮的金屬原子會開始粘在一起，從而降低催化能力。但在這項研究中，鉑原子固定在氧化鈰載體上，而不是彼此固定。這些孤立的原子與目標物質(zhì)的反應(yīng)會比它們聚集在一起時更有效。

最近，還有研究對銠采用了相同的原子捕獲方法。在滿足美國能源部150℃挑戰(zhàn)的模型條件下，催化劑中只有0.1%重量的原子分散銠，但在120℃的溫度下，可轉(zhuǎn)化100%的氮氧化物。

PNNL研究人員Konstantin Khivantsev和Janos Szanyi表示：“20世紀70年，有報道表明，孤立的銠原子可以進行這種反應(yīng)，但這些實驗是在溶液中進行的，而且銠原子在水熱中不穩(wěn)定。真正啟發(fā)我們的是這種在高溫下進行原子俘獲的新方法。這樣，我們首次證明單個銠原子既可以具有催化活性又可以穩(wěn)定。”

研究人員在環(huán)境分子科學(xué)實驗室（Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進行了這項研究的實驗，該實驗室是由美國能源部生物和環(huán)境研究計劃贊助的國家科學(xué)用戶設(shè)施。研究人員使用各種類型的高分辨率成像，包括傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、透射電子顯微鏡和能量色散X射線光譜，以驗證銠原子是單獨分散的，并與一氧化碳和氮氧化物有效反應(yīng)。

Khivantsev、Szanyi和Wang表示，此次研究結(jié)果為制造成本效益高、穩(wěn)定且低溫的催化劑提供了新方法，從而可大大提高銠的使用效率，遠高于當前其他方法?？茖W(xué)家們還計劃將該方法擴展到其他較便宜的催化金屬，如鈀和釕。

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