催化剂可以控制天然气发动机的甲烷排放

在最近的一项研究中，使用单个或几个钯原子的催化剂在低温下去除了天然气发动机废气中90%的未燃烧甲烷。虽然还需要进行更多研究，但单原子催化的进步有可能降低甲烷废气排放量，甲烷是最严重的温室气体之一，其吸热率约为二氧化碳的25倍。

华盛顿州立大学和SLAC国家加速器实验室之间的一项研究成果《自然催化》杂志报道称，单原子催化剂能够在低于350摄氏度(662华氏度)的较低温度下去除发动机排气中的甲烷，同时在较高温度下保持反应稳定性。

“这几乎是一个自我调节过程，奇迹般地克服了人们一直在应对的挑战——低温不活动和高温不稳定，”华盛顿州立大学吉恩和琳达·沃伊兰化学工程与生物工程学院摄政教授、该论文的通讯作者王勇说。

全球约有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。天然气行业还使用它们来运行压缩机，将天然气泵送到人们的家中。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，当这些天然气动力发动机启动时，它们会排放出未燃烧的吸热甲烷，因为它们的催化转化器在低温下无法正常工作。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。

“人们对使用天然气有很大的推动力，但当你将其用于内燃机时，排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，就会导致更严重的全球变暖，”该研究的合著者、SLAC国家加速器实验室的科学家弗兰克·阿比尔德-佩德森(FrankAbild-Pedersen)说。“如果你能从废气中去除90%的甲烷并保持反应稳定，那就太棒了。”

王补充说，活性金属单独分散在载体上的单原子催化剂也使用了昂贵和贵金属的每个原子。

“如果你能让它们更具反应性，那就是锦上添花，”他说。

在他们的工作中，研究人员能够证明，他们的催化剂由氧化铈载体上的单个钯原子制成，即使在发动机刚刚启动时，也能有效去除发动机废气中的甲烷。

他们发现，发动机排气中始终存在的微量一氧化碳在动态形成室温反应活性位点方面发挥了关键作用。一氧化碳帮助钯的单个原子迁移形成两个或三个原子簇，从而在低温下有效地分解甲烷分子。

然后，随着废气温度升高，亚纳米尺寸的团簇再次重新分散成单个原子，从而使催化剂具有热稳定性。这种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(包括冷启动时)使用每个钯原子。

SLAC国家加速器实验室的科学家、该论文的合著者克里斯托弗·塔索内(ChristopherTassone)表示：“我们确实能够找到一种方法来保持负载型钯催化剂的稳定性和高活性，并且由于整个团队拥有不同的专业知识，我们能够理解为什么会发生这种情况。”

研究人员正在努力进一步推进催化剂技术。他们希望更好地了解为什么钯以一种方式表现，而铂等其他贵金属却以不同的方式表现。

这项研究在应用于汽车之前还有很长的路要走，但研究人员正在与行业合作伙伴以及太平洋西北国家实验室合作，以期有一天使这项工作更接近商业化。

除了Wang、Abild-Pedersen和Tassone之外，Voiland学院的高级研究员DongJiang也领导了这项工作。