Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разрабатывают катализаторы для снижения токсичности выбросов дизельных двигателей. Им удалось достигнуть высокой активности и устойчивости катализаторов при пониженной концентрации драгоценных металлов.
В России автомобили, в том числе на дизельном топливе, выбрасывают в атмосферу порядка 5 млн тонн вредных веществ в год. В составе выхлопов от дизельного топлива — углеводороды, монооксид углерода (угарный газ), оксид азота, сажа, диоксид серы. После их нейтрализации выходит относительно чистая смесь из воды, небольшого количества углекислого газа и молекулярного азота.
Системы нейтрализации выбросов для автомобилей изготавливаются на керамических блоках, покрытых оксидом алюминия с нанесенными наночастицами платины и палладия. Но концентрация драгметаллов в этих системах, как правило, начинается с 30 граммов на кубический фут (около 1 грамма на литр катализатора). Это высокий показатель, поэтому в интересах промышленности снижать его.
Ученые Института катализа СО РАН работают над усилением синергетического эффекта в каталитической активности платино-палладиевых систем в комплексе с оксидом марганца, нанесенных на алюмооксидное покрытие керамических блоков. Они смогли снизить содержание платины и палладия в катализаторе до 0.17 и 0.17–0.35 граммов на литр, соответственно, при 5-процентном содержании оксида марганца в алюмооксидном покрытии.
Уже при содержании платины 0.17 г/л катализатора, температура 50-процентной конверсии бутана составляет около 350 ℃. Она сопоставима с той, которая требуется для катализатора с содержанием платины в 6 раз больше, но в отсутствии оксида марганца. Таким образом, этот оксид повышает эффективность работы платины в составе катализатора. При увеличении доли платины до 1 грамма на литр рабочая температура падает до 270 ℃.
«По сравнению с промышленным образцом, хорошие каталитические характеристики в нейтрализации токсичных компонентов отработанных газов показывает даже платиновый катализатор после добавления оксида марганца. В результате синергетического эффекта можно снизить содержание платины в 1.5 раза (с 1 до 0.7 г/л), и еще больше при замещении платины палладием. При 180 ℃ платино-палладиевый катализатор обеспечивает уже 50% превращения углеводородов (пропана/пропена) и 90% превращения монооксида углерода — то есть начинает окислять еще до достижения оптимального рабочего режима дизельного двигателя. Промышленный катализатор в этих же условиях начнет работать только при температуре порядка 250 ℃», — рассказывает старший научный сотрудник Отдела гетерогенного катализа ИК СО РАН к.х.н. Светлана Яшник.
Катализатор успешно прошел тест на старение при 750 ℃ в течение семи часов в присутствии паров воды. Он показал более высокие значения конверсии в окислении СО, углеводородов и восстановлении оксида азота (II) в реакционной смеси по сравнению с существующими системами.
Эффективность созданных в ИК СО РАН катализаторов была подтверждена совместными испытаниями с промышленным предприятием. В планах ученых — продолжить исследовать системы, варьируя содержание активных и модифицирующих компонентов и физико-химические характеристики.