研究人员宣布，单个钯原子附着在催化剂上，可以在低温下有效去除天然气发动机尾气中90%未燃烧的甲烷。这种创新的单原子催化有可能减少甲烷的排放，甲烷是一种重要的温室气体。
研究人员演示制定一种方法，从燃烧天然气的发动机的废气中去除强效温室气体。
一种使用单个钯原子的新型催化剂可以有效地从天然气发动机尾气中去除90%未燃烧的甲烷，这可能会大大减少天然气发动机的排放为减少温室气体排放作出贡献。进一步的研究正在进行中，以推进这项技术并更接近商业化。
Revolutio控制甲烷排放:一种新的催化剂方法
科学家在7月20日的《自然催化》杂志上报告说，在低温下，附着在催化剂表面的单个钯原子可以从天然气发动机尾气中去除90%未燃烧的甲烷。
他们说，虽然还需要做更多的研究，但单原子催化技术的进步有可能降低甲烷的废气排放。甲烷是最严重的温室气体之一，其吸热速度约为二氧化碳的25倍。
跨越发动机工作温度的有希望的结果
来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和华盛顿州立大学的研究人员表明，在发动机启动的较低温度和发动机最有效运行的较高温度下，催化剂都能从发动机尾气中去除甲烷，但在较高温度下，催化剂往往会失效。
目前用于从天然气发动机尾气中去除未燃烧甲烷的催化剂，要么在较低的启动温度下效率低下，要么在较高的工作温度下会分解。SLAC国家加速器实验室和华盛顿州立大学开发的一种新型单原子催化剂解决了这两个问题，并去除了90%的甲烷。该图描绘了单个钯原子(白色)去除催化剂表面的甲烷(白色气泡)。图片来源:Cortland Johnson/太平洋西北国家实验室
“这几乎是一个自我调节的过程，奇迹般地克服了人们一直在与之斗争的挑战——低温不活动和高温不稳定，”华盛顿州立大学基因和琳达沃伊兰化学工程和生物工程学院的董事教授王勇说，他是该论文的四位主要作者之一。
解决天然气发动机的甲烷排放问题
全世界有3000万至4000万辆汽车使用天然气发动机，在欧洲和亚洲很受欢迎。天然气工业也用它们来驱动压缩机，将天然气输送到人们的家中。它们通常被认为比汽油或柴油发动机更清洁，产生的碳和颗粒污染更少。
然而，当天然气发动机启动时，它们会释放出未燃烧的、吸热的甲烷，因为它们的催化转换器在低温下不能很好地工作。目前用于去除甲烷的催化剂要么在较低的排气温度下效率低下，要么在较高的温度下严重降解。
催化剂的生态经济与环境nmental影响
“使用天然气是一个很大的动力，但是当你把它用于内燃机时，废气中总会有未燃烧的天然气，你必须找到一种方法来去除它。如果不这样做，你会导致更严重的全球变暖，”共同作者弗兰克·阿比尔-佩德森说，他是SLAC的工作人员科学家，也是与斯坦福大学联合运行的SUNCAT界面科学与催化中心的联合主任。“如果你能从废气中去除90%的甲烷，并保持反应稳定，那将是巨大的。”
王补充说，将化学活性金属的单个原子分散在载体上的催化剂也使用了昂贵而珍贵的金属的每个原子。
“如果你能让它们更具反应性，”他说，“那就锦上添花了。”
碳Mo的作用氧化催化剂效率
在他们的工作中，研究人员表明，他们的催化剂由氧化铈支架上的单个钯原子制成，即使在发动机刚刚启动时，也能有效地从发动机尾气中去除甲烷。
他们还发现，发动机排气中始终存在的微量一氧化碳在室温下动态形成反应活性位点方面发挥了关键作用。一氧化碳帮助钯的单原子迁移，形成两个或三个原子团簇，在低温下有效地分解甲烷分子。
然后，随着排气温度的升高，这些团簇分解成单个原子并重新分散，因此催化剂具有热稳定性。这一可逆过程使催化剂能够有效地工作，并在发动机运行的整个过程中使用每一个钯原子——包括它开始变冷的时候。
SLAC工作人员科学家Christopher Tassone说:“我们确实能够找到一种方法来保持负载钯催化剂的稳定和高活性，并且由于整个团队的专业知识不同，我们可以理解为什么会发生这种情况。”
未来的发展方向
研究人员正在努力进一步推进催化剂技术。他们想更好地理解为什么钯的行为是一种方式，而铂等其他贵金属的行为却不同。
这项研究在投入汽车之前还有一段路要走，但研究人员正在与行业合作伙伴以及美国能源部的太平洋西北国家实验室合作，使这项工作更接近商业化。
参考文献:“亚纳米级钯在氧化铈上的动态可逆转化用于高效甲烷脱除”，作者:姜东，万刚，Joakim Halldin Stenlid, Carlos E. García-Vargas，张江浩，孙成军，李俊瑞，Frank Abild-Pedersen, Christopher J. Tassone，王勇，2023年7月20日，Nature Catalysis。DOI: 10.1038 / s41929 - 023 - 00983 - 8
除了Wang、abld - pedersen和Tassone，华盛顿州立大学Voiland学院的高级研究员Dong Jiang也领导了这项工作。这项工作由美国能源部科学办公室资助，包括在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)、阿贡国家实验室的先进光子源(APS)和国家能源研究科学计算中心(NERSC)进行的研究，这些都是美国能源部科学办公室的用户设施。
