Kaip veikia automobiliniai nanostruktūriniai katalizatoriai?  (12)

Kas nors kiek domisi automobiliais, žino, jog dujų išmetimo sistemoje yra katalizatorius, mažinantis sveikatai ir aplinkai kenksmingų dujų kiekį – kitaip tariant, dėl katalizatoriaus mažėja aplinkos tarša.

Be to, apsukrūs „verslininkai“ prieš parduodami padėvėtus automobilius, mėgsta katalizatorius išpjauti – žinoma, ne dėl kokių nors moralinių, o grynai dėl komercinių paskatų – mat katalizatoriuose yra tauriųjų metalų - platinos, rodžio, paladžio. Turbūt čia ir baigiasi pagrindinės žinios apie automobilinius katalizatorius, o kaip gi jie veikia ir kokie fizikiniai bei cheminiai procesai vyksta – nelabai ir susimąstoma. Būtent apie tai Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto) fakulteto tinklaraštyje straipsnį parengė Taikomosios fizikos profesorius Arvaidas Galdikas.

Kaip jau supratote, metalas/oksidas tipo katalizatoriai naudojami automobilių išmetamųjų dujų konvertavimui: kenksmingos NOx, CO, CHx dujos katalizatoriuje vykstančių cheminių reakcijų dėka virsta nekenksmingomis N2, H2O ir CO2 dujomis (1 pav.).

Taigi, katalizatoriuje tuo pat metu vyksta trys cheminės reakcijos, todėl jis dažnai vadinamas trijų reakcijų katalizatoriumi (three way catalyst). Šių reakcijų efektyvumas priklauso nuo katalizatoriaus gebėjimo pasisavinti perteklinį deguonį, kuomet yra jo perteklius išmetamosiose dujose (kai dominuoja NOx) ir aprūpinti deguonimi reagentus, kai yra jo trūkumas (kai dominuoja HC ir CO).

Deguonies trūkumas arba perteklius išmetamosiose dujose atsiranda varikliui dirbant skirtingais rėžimais, priklausomai nuo kuro padavimo į variklį (laisva ir apkrauta variklio eiga), charakterizuojama parametru lamda (tai tas pats dydis, kurį matuoja visiems žinomi lambda jutikliai). 2 pav. parodyta automobilių išmetamųjų dujų cheminė sudėtis, kintant variklio darbo rėžimui (parametrui lamda).

Katalizatoriai pasižymintys tokiomis savybėmis pasisavinti arba atpalaiduoti deguonį yra sudėtingos struktūros ir sudėtingos paviršiaus morfologijos. Dažniausiai naudojami milteliniai katalizatoriai, nes jų paviršiaus plotas labai didelis (4 pav. Pt/CZ-D atvejų 0,02g katalizatoriaus miltelių paviršius siekia 1m2, o metalo salelių paviršiaus plotas 0,03m2).

Tipinė automobilio katalizatoriaus sandara parodyta 3 pav.

Sudėtingų cheminių technologijų dėka, ant metalo (Ce, Zr) oksido kristalų (dydis 10-200 nm.) suformuojamos gryno metalo (Pt, Pd, Rh, Ir, Ru) salelės (dydis 2-50 nm.) (4 pav.). Būtent ant šių salelių vyksta molekulių disociacija ir heterogeninės cheminės reakcijos, kurių pasėkoje susidaro nauji junginiai.

Dėl paviršinės ir tūrinės difuzijos, atomai nuo salelių gali judėti ant oksido paviršiaus ir dalyvauti reakcijoje su oksido deguonies atomais. Iš oksido reagentai gauna deguonies, kai yra jo trūkumas, ir atiduoda deguonį, kai yra jo perteklius. Todėl labai svarbi tokių katalizatorių savybė yra deguonies atomų migracija ant jų paviršiaus – ši ir kitos savybės yra tiriamos eksperimentinių tyrimų pagalba.

Tokių katalizatorių savybėms tirti naudojamas deguonies izotopų mainų metodas. Eksperimentinio įrenginio schema, katalizatorių savybėms tirti deguonies izotopų mainų metodu, parodyta 5 pav. Pradžioje į reaktorių, kur patalpintas minėto tipo katalizatorius, įleidžiamos deguonies izotopo 18O2 dujos ir sklendės uždaromos.

Visas procesas vyksta uždaroje sistemoje. Masės analizatoriuje registruojama reaktoriaus dujų elementinė sudėtis proceso eigoje, registruojama dujų fazės elementinės sudėties kinetika. Dėl sudėtingų cheminių – fizikinių procesų elementinė sudėtis kinta, nes dalis 18O atomų pasikeičia vietomis su 16O atomais okside. Reaktoriuje atsiranda trijų rūšių dujų 18O2, 16O2 ir 18O16O molekulių.

Katalizatoriuje vykstantys procesai parodyti 6 pav.

Pagrindiniai procesai yra (pažymėti atitinkamais numeriais):

  • 1. 18O2 disociatyvi adsorbcija ant metalo salelių. (1)
  • 1‘. 18O16O desorbcija nuo metalo salelių. (1‘)
  • 2. 18O atomų šuoliai nuo metalo salelių ant oksido paviršiaus. (2)
  • 3. 18O paviršinė migracija oksido paviršiuje. (3)
  • 4. 18O mainai (reakcija) su oksido 16O atomais. (4)
    Priklausomai nuo reakcijos temperatūros, gali vykti ir kiti etapai, bet jų greičiai yra žymiai mažesni už paminėtus etapus.
  • 5. Tūrinė 18O deguonies atomo difuzija (5).
  • 6. Tiesioginiai nedisociatyvūs 18O2 (g) mainai iš dujinės fazės su oksido deguonies radikalais (vad. superoksido radikalais) (6).

Medžiagą rengęs KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (buvusio Fundamentaliųjų mokslų fakulteto), Taikomosios fizikos katedros profesorius habil.dr. Arvaidas Galdikas pažymi, jog kitos, dinaminės katalizatorių charakteristikos gali būti aprašomos matematiniais modeliais. Nors jos jau nėra detalizuotos, tačiau profesorius parengė jas aprašančio modelio matematines priklausomybes ir grafinę modelio medžiagą.

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: Arvaidas Galdikas

(6)
(0)
(5)

Komentarai (12)