Почему 42 
Zhang et al. / Nature, 2021
Китайские химики разработали новый материал для катализа реакции получения водорода из воды и угарного газа. Катализатор состоит из карбида молибдена, на поверхности которого расположены одиночные атомы платины, и с его помощью можно получать водород при температуре всего сорок градусов Цельсия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Разобраться в этом вопросе и получить катализатор с недостижимой ранее эффективностью сумели китайские химики под руководством Дина Ма (Ding Ma) из Пекинского университета, У Чжоу (Wu Zhou) из Университета Китайской академии наук и Чуаня Ши (Chuan Shi) из Далянского технологического университета. Их новый катализатор состоит из частиц карбида молибдена с добавками платины, в нем одновременно содержатся и изолированные атомы платины Pt1 и кластеры из нескольких атомов платины Ptn.
Результаты сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и XAFS-спектроскопии показали, что на поверхности катализатора с 0,2 процентами платины находились только изолированные атомы платины Pt1 — в среднем 9 штук на 100 квадратных нанометров поверхности. В образцах с 2 и 8 процентов платины количество изолированных атомов платины было больше — 42 и 80 на 100 квадратных нанометров поверхности соответственно. Кроме того, образцы с 2 процентами платины содержали кластеры субнанометрового размера из нескольких атомов платины Ptn, а образцы с 8 процентами платины — еще и более крупные кластеры нанометрового размера.
Конверсия монооксида углерода при использовании разных катализаторов
Zhang et al. / Nature, 2021
Интересно, что удельная каталитическая активность (количество молей образующегося водорода на каждый моль платины в секунду) была выше всего в случае Pt-MoC с 0,2 процентами платины. Это значит, что как минимум часть атомов платины в субнанометровых и нанометровых кластерах в составе Pt-MoC с 2 и 8 процентами платины не участвуют в каталитическом процессе.
Чтобы больше узнать о механизме реакции, авторы использовалиin situ рентгеновскуюфотоэлектронную спектроскопию. Они поместили катализатор в камеру спектрометра и последовательно запускали в камеру различные газы, наблюдая, как изменяется поверхность материала. При пропускании водяного пара на спектре появился пик около 532,3 электронвольт, который указывает на образование OH-группы на поверхности карбида молибдена. После добавления в систему СО и увеличения температуры появляется новый пик около 533,8 электронвольт, соответствующий адсорбированному монооксиду углерода, и начинается выделение водорода и углекислого газа. Пик 532,3 электровольт при этом становится меньше (ОH-группы вступают в реакцию с СО), однако полностью не исчезает даже при температуре выше 150 градусов Цельсия. Авторы предположили, что в реакцию с СО вступают только те ОН-группы, которые находятся достаточно близко к частицам платины, а те, которые расположены далеко, остаются на поверхности катализатора. Эти данные хорошо согласуются с измерением стабильности катализаторов — самым стабильным оказался Pt-MoC с 2 процентами платины. В катализаторе с 0,2 процентами платины включения на поверхности были слишком редкими, поэтому не все гидроксильные группы могли вступить в реакцию с угарным газом. Часть гидроксильных групп оставалась на поверхности MoC и при нагревании катализатор постепенно деактивировался.
Кроме того для уточнения механизма реакции авторы использовали метод меченых атомов. Чтобы проследить, как происходит перегруппировка атомов в процессе реакции, воду заменили на воду с тяжелым изотопом кислорода Н218О, а угарный газ — на угарный газ с тяжелым изотопом углерода 13С16О. Если реакция конверсии идет по классическому механизму, в образующейся молекуле углекислого газа один атом кислорода должен быть из молекулы воды, а второй — из молекулы угарного газа, то есть можно ожидать образование «смешанного» углекислого газа 13С16О18О. Однако, ученые обнаружили в смеси продуктов также углекислый газ с двумя «тяжелыми» атомами кислорода: 13С18О2 и даже угарный газ с таким атомом кислорода 13С18О. Общее количество примесных оксидов углерода доходило до 35 мольных процентов. Это значит, что молекула угарного газа 13С16О может диссоциировать на платиновых включениях, а образующиеся радикалы углерода 13С затем реагируют с гидроксильными группами 18OН, образуя угарный газ либо углекислый газ. Такое свойство платиновых включений можно будет использовать и в катализе других реакций с участием угарного газа.
Каталитический конвертер (он же нейтрализатор, он же катализатор) — это, как известно, часть системы выхлопа, предназначенная для снижения токсичности отработавших газов посредством каталитического восстановления оксидов азота.
Внутри нейтрализатора расположен пористый несущий материал — керамический блок с сотовой структурой. В зависимости от модели на стенки сот наносится микрослой из палладия и родия или иридия. Касаясь такого напыления, часть выхлопа входит с ним в химическую реакцию.
Из-за некачественного бензина, проблем с зажиганием, термических ударов (разогретые металл и керамика трескаются при взаимодействиях с водой или снегом), механических повреждений выхлопной системы и в конце концов из-за заводского брака катализаторы рано или поздно приходят в негодность, и водителю стоит вовремя обратить на это внимание по косвенным признакам (падение мощности мотора, сложности с его пуском, едкий запах и характерный металлический звук при разгоне и перегазовке).
Однако некоторые водители намеренно удаляют нейтрализаторы, чтобы добавить машине мощности и снизить расход топлива. Понятно, что выброс вредных веществ в таком случае резко увеличится. Нужно помнить и о том, что согласно Техническому регламенту, удаление нейтрализатора трактуется как нарушение конструкции автомобиля. Соответственно, такой транспорт будет проблематично поставить на учет и провести его технический осмотр.
Многие владельцы банально не хотят тратиться на замену поврежденного узла на новый. Для справки: цена нового нейтрализатора, скажем, для Renault Arkana составляет примерно 10 тысяч рублей. Примерно во столько же обойдется замена.
В результате, стремясь сэкономить, люди устанавливают либо универсальный нейтрализатор, либо более дешевый, и естественно, не одобренный автопроизводителем пламегаситель (один из видов резонаторов) или попросту приваривают на мест удаленного устройства фрагмент металлической трубы.
Нередкая проблема, возникающая после удаления нейтрализатора, — это повышенный расход масла. При этом такой «масложор», как правило, успевает спровоцировать еще старый, испорченный нейтрализатор. Причиной может быть, к примеру, керамическая крошка начинки нейтрализатора, которая успела попасть в цилиндры. Водитель же после удаления проблемного узла, как правило, радуется ощутимой прибавке тяги, интенсивно давит на «газ» и лишь усугубляет ситуацию — задиры на цилиндрах лишь увеличиваются, а расход масла растет.
Именно поэтому одновременно с удалением нейтрализатора, который был проблемным, будет не лишним разобрать головку блока цилиндров, чтобы оценить состояние мотора и при необходимости удалить «песок» из камер сгорания и выпускного тракта. Ну и, разумеется, промыть мотор и поменять моторное масло точно не будет лишним. Кроме того, после удаления нейтрализатора вы можете столкнуться с таким проблемами, как повышение шума во время работы выхлопной системы, появление токсичного запаха выхлопных газов, который, случается, проникает в салон автомобиля. Наконец, практика показывает, что далеко не всегда удается подобрать корректную нештатную прошивку, а стало быть вы не застрахованы от загорания Check engine на «приборке» и перебоев в работе мотора.