Elk edelmetaalatoom telt in uitlaatkatalysatoren

De moderne samenleving is sterk afhankelijk van vervoer. De verbrandingsmotoren die de meeste voertuigen aandrijven, stoten gasvormige verontreinigende stoffen uit die schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid en het milieu. Katalytische verwijdering van giftig koolmonoxide (CO) uit uitlaatgassen wordt meestal gedaan met dure edelmetalen als een van de belangrijkste componenten van katalysatoren voor auto’s. Voor zijn Ph.D. onderzoek onderzocht Valerii Muravev manieren om de efficiëntie van dure katalysatoren te verbeteren door het gebruik van edelmetalen in convertors te optimaliseren. Muravev behaalde zijn Ph.D. cum laude op 26 november.

Edelmetalen, zoals platina (Pt), palladium (Pd) of rhodium (Rh), afgezet op het oppervlak van ceriumoxide of ceria (CeO₂) worden veel gebruikt in de auto-industrie als katalysator voor het verwijderen van schadelijke gassen uit uitlaatgassen van auto’s.

De dure edelmetalen worden als hele kleine nanodeeltjes op het oppervlak van het ceriumoxide gedispergeerd waar katalytische reacties plaatsvinden. Hoewel deze nanodeeltjes worden verspreid in een poging om de oppervlakte-tot-volumeverhouding te vergroten, bestaat de laag meestal uit slechts een paar duizend atomen.

katalytische problemen

Deze verspreidingsbenadering met edele metalen leidt echter tot een aantal kritieke problemen. Ten eerste hebben de metalen nanodeeltjes de neiging om te agglomereren tot grotere deeltjes tijdens katalytische reactieomstandigheden, wat hun effectiviteit in het conversieproces vermindert.

Ten tweede leidt het sinteren van nanodeeltjes tot verlies van actief metaaloppervlak en deactivering van de katalysator. Dit betekent dat het zeer wenselijk is om katalysatoren te ontwikkelen waarbij elk edelmetaalatoom kan deelnemen aan het chemische omzettingsproces zonder gedeactiveerd te worden.

Nog een ander probleem met de huidige katalysatoren is hun beperkte activiteit bij temperaturen onder de 150 graden Celsius. Dit betekent dat niet-gereageerde giftige gassen zoals CO kunnen worden uitgestoten in de omgevingslucht als de temperatuur van de katalysator niet voldoende hoog is om het oxidatieproces te laten plaatsvinden. Dit zogenaamde koudestartprobleem komt vaak voor bij hybride auto’s, waar frequente start-stopcycli van de motor leiden tot onvoldoende verwarming van de katalysator.

Palladium hoopt

Voor zijn Ph.D. onderzoek richtte Valerii Muravev zich op de ontwikkeling van edelmetaal-ceria-ondersteunde katalysatoren, met actieve metaalentiteiten zo klein als enkele atomen. Hij ontdekte dat wanneer platina (Pt) atomair wordt gedispergeerd over een ceria-ondersteuning, de activiteit bij lage temperatuur CO-oxidatie lager is dan voor Pt-nanodeeltjes die op hetzelfde materiaal zijn afgezet.

Integendeel, enkele atomen van palladium (Pd) vertonen een hoge activiteit bij lage temperaturen en kunnen CO al oxideren bij omgevingstemperaturen. Helaas zijn de afzonderlijke Pd-atomen op het oppervlak van commerciële ceria-dragers niet stabiel en kunnen ze in nanodeeltjes sinteren, waardoor ze hun activiteit verliezen.

Een van de belangrijkste bevindingen van Muravev’s onderzoek heeft betrekking op de stabilisatie van Pd-atomen op het oppervlak van ceriumoxide/ceriumoxide in nanoformaat. Muravev ontdekte dat door de grootte van de dragerdeeltjes te verkleinen, het atomair gedispergeerde Pd kan worden gestabiliseerd.

Bovendien kon hij, door gebruik te maken van industrieel relevante pyrolyse-synthesemethoden met vlamnevel, de optimale grootte van de deeltjes voor de ceria-ondersteuning identificeren om de activiteit bij lage temperatuur bij CO-oxidatie van Pd-CeO te maximaliseren₂ katalysatoren.

Deze bevinding dat de grootte van de ceria-drager de stabiliteit en activiteit van aan het oppervlak verankerde edelmetaalatomen aanzienlijk kan beïnvloeden, breidt de gereedschapskist uit voor het ontwerpen van verbeterde en effectievere katalysatoromvormers voor de auto-industrie.