Üç Yollu Katalizörlerin Oksijen Depolama Yetenekleri
Fotoğraf: Çizgesel özet.
Hava kalitesinin düşmesine sebep olan taşıt kaynaklı kirleticiler göz önünde bulundurularak, dünyanın dört bir yanından hükümetler otomobiller için daha katı emisyon düzenlemeleri getirmektedir. Bu, egzoz gazını atmosfere salınmadan önce “temizleyen”, daha etkili bir gaz arıtma sistemi geliştirmeyi beraberinde getirmektedir.
Benzinli içten yanmalı motorların egzoz emisyonlarını geliştirmek için en yaygın yöntem, üç yollu katalizörler (TWC- Three Way Catalyst) veya katalitik konvertörlerdir. TWC’ler genellikle platin (Pt) ve paladyum (Pd) nanopartikülleri gibi aktif metalleri ve CeO2-ZrO2 (CZ) katı çözeltisi gibi yüksek bir spesifik yüzey alanına sahip oksijen depolama malzemelerini içerir. Bu bileşenler, araç motorlarından çıkan zararlı egzozu zararsız gazlara dönüştürebilen çoklu yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarını katalize edebilir.
Bir TWC’nin dayanıklılığı, hassasiyeti ve performansı, oksijen depolama malzemelerinin yığınında ve yüzeyinde depolanan veya bu yerlerden serbest bırakılan oksijen gibi faktörlere bağlıdır. Bu nedenle, depolama malzemesinin oksijen taşınımını ve dinamiklerini açıkça anlamak, verimliliğini artırmak için gereklidir. Ne yazık ki, TWC’lerde oksijen depolama sürecinin doğrudan izlenmesini sağlayabilecek teknikler kısıtlıdır.
Bununla birlikte, Chemical Engineering Journal’da yayınlanan yeni bir çalışmada, Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden (Tokyo Tech) Yardımcı Doçent Tsuyoshi Nagasawa liderliğindeki bir araştırma ekibi soruna bir çözüm sundu. Ekip, izotop söndürme tekniğini kullanarak Pd / CZ TWC’lerde oksijen depolama işleminin doğrudan görselleştirilmesi için yeni bir teknik geliştirdi.
Prof. Nagasawa bu yöntemi şöyle açıklıyor: “TWC yüzeylerinde meydana gelen oksijen adsorpsiyonu / desorpsiyonu ve yüzey / kütle difüzyonu gibi dinamik etkileşimler hakkında netlik elde etmek zordur, çünkü bunlar yalnızca CZ’deki seryumun değerlik değişiminden veya asil metalin oksidasyon durumundan dolaylı olarak tahmin edilebilir. Bununla birlikte, yöntemimiz, izotop etiketlemesini reaksiyon söndürme ile birleştirerek bu sorunun üstesinden geliyor, bu da bu etkileşimlerde yer alan 18O izotopunu izleyerek oksijen depolama süreçlerini araştırmamızı sağlıyor.”
Ekip, değerli bir metal, Pd ve yoğun bir CZ substratından oluşan bir model TWC hazırladı, ve içine 600 °C’de 18O2‘yi yerleştirdikten sonra bir su soğutma ceketi kaplı iki helyum gazı nozulu kullanarak katalizörü söndürdü. Daha sonra yüzeydeki 18O dağılımını ve Pd / CZ’nin kütlesini analiz etmek için yüksek çözünürlüklü ikincil iyon kütle spektrometresi kullandılar.
Sonuçlar, Pd’nin, yüzey konsantrasyonunun yanı sıra 18O’nun CZ yığınına difüzyon derinliğini iyileştirdiğini göstermiştir. Ayrıca, 18O’nun, konsantrasyonunun daha düşük olduğu Pd merkezine kıyasla Pd / CZ arayüzünde tercihli olarak adsorbe edildiğini ortaya koydu. Yoğunluk fonksiyonel teorisi (Density Functional Theory- DFT) hesaplamaları da bu gözlemlerle aynı fikirdeydi.
Son olarak, ekip 18O dağılımını ve bir difüzyon denklemi kullanarak oksijen salınım / depolama simülasyonunu karşılaştırarak yerel oksijen salınım / depolama oranlarını hesapladı. Yerel oranların geleneksel oksijen depolama kapasitesi ölçümleriyle karşılaştırılabilir ve tutarlı olduğunu bulmuşlardır.
Bu yeni görselleştirme süreci, metal / oksijen malzeme sistemlerindeki oksijen depolama ve serbest bırakma mekanizmaları hakkında kullanışlı bilgiler sağlar ve otomobil egzoz arıtımı için kullanılan TWC’lerin performansını ve verimliliğini daha fazla araştırmak ve geliştirmek için kullanılabilir.
“Yanmalı motorlar tarafından yaygın olarak üretilen uçucu organik bileşikler ve azot ve karbon oksitleri, arıtılmadan serbest bırakılırsa, sadece solunumla ilgili sağlık sorunlarına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda dolaylı olarak küresel ısınmanın hızlanmasını da etkileyebilir. Çalışmamızla, dünyanın daha iyi emisyon uygulamalarına ulaşma misyonuna katkıda bulunmak istedik “diyor Prof. Nagasawa.
Kaynak: phys.org
