Une découverte du Pacific Northwest National Laboratory et de ses collaborateurs pourrait aider à réduire la quantité de métaux coûteux nécessaire pour traiter les gaz d'échappement des véhicules en tirant le meilleur parti de chaque atome précieux. Crédit :Andrea Starr, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Votre trajet peut être modeste, mais s'il brûle de l'essence, vous avez des métaux précieux à bord. Pour réduire la pollution au tuyau d'échappement, les voitures et les camions à essence sont aujourd'hui équipés de convertisseurs catalytiques qui contiennent des métaux du groupe du platine tels que le rhodium et le palladium.
La demande pour ces métaux augmente alors que les pays du monde entier cherchent à réduire les émissions des véhicules qui accélèrent le changement climatique et détériorent la qualité de l'air. Étant donné qu'une seule once de rhodium coûte maintenant plus de 20 $, 000, ce n'est pas un hasard si à travers les États-Unis, les vols de pots catalytiques sont en augmentation.
Une découverte réalisée par des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et de la Washington State University pourrait aider à réduire la quantité de métaux coûteux nécessaire pour traiter les gaz d'échappement des véhicules en tirant le meilleur parti de chaque atome précieux. Dans une étude publiée dans la revue Édition internationale d'Angewandte Chemie, les chercheurs ont réussi à réduire les émissions de monoxyde de carbone et d'oxyde d'azote en utilisant au moins trois fois moins de rhodium par rapport à un catalyseur typique.
"Ce que nous avons rapporté ici est en contradiction avec la sagesse conventionnelle selon laquelle vous avez besoin d'atomes de rhodium adjacents les uns aux autres, sous forme de nanoparticule, pour faire cette chimie, " dit Yong Wang, professeur de génie chimique à la Washington State University et titulaire d'un poste conjoint au PNNL. "Nous avons découvert qu'un seul atome de rhodium peut encore mieux convertir les polluants qu'une nanoparticule de rhodium."
Convertir le conventionnel
Les travaux du PNNL portent sur les catalyseurs trois voies, nommés pour leur capacité à réduire le monoxyde de carbone, oxyde de nitrogène, et des hydrocarbures tels que le méthane. L'oxyde d'azote fait partie d'un ensemble de polluants connus sous le nom de NO
Des systèmes de post-traitement basés sur de tels catalyseurs sont utilisés depuis des décennies avec des moteurs à combustion interne. Mais en plus de la flambée des prix des métaux précieux pour construire ces systèmes, un autre problème menace de réduire leur efficacité. À mesure que les véhicules deviennent plus économes en carburant, l'échappement n'est pas aussi chaud. C'est un problème pour les catalyseurs conventionnels qui ont été conçus pour fonctionner dans les températures élevées des moteurs plus anciens - ils ne fonctionnent tout simplement pas aussi bien à des températures plus basses.
Le département américain de l'Énergie (DOE) s'est associé à des constructeurs automobiles nationaux pour relever le défi de concevoir des matériaux capables de convertir 90 % des émissions d'échappement à 150 degrés Celsius (302 °F), ce qui est considéré comme « basse température » dans le monde du contrôle des émissions. Ces matériaux doivent également être suffisamment stables pour supporter des kilomètres et des kilomètres de voyage.
Isoler les atomes pour une réactivité et une stabilité accrues
L'étude du PNNL s'est appuyée sur des travaux antérieurs de Wang et de ses collègues où ils ont "piégé" des atomes uniques de platine sur un support de dioxyde de cérium, ou de l'oxyde de cérium, une poudre souvent utilisée en céramique, en chauffant la combinaison à 800 degrés Celsius (1, 472 °F). A des températures aussi élevées, les atomes métalliques flottants commenceront à se coller les uns aux autres, réduisant leurs pouvoirs catalytiques. Mais dans cette étude, les atomes de platine se sont fixés sur le support d'oxyde de cérium plutôt qu'entre eux. Ces atomes isolés réagissaient avec les substances cibles plus efficacement que s'ils s'étaient regroupés.
La nouvelle étude a adopté cette même approche de piégeage d'atomes avec le rhodium. Les catalyseurs avec seulement 0,1 pour cent en poids de rhodium dispersé atomiquement dans des conditions modèles ont relevé le défi du DOE à 150 degrés Celsius, convertir 100 % d'oxyde d'azote à des températures aussi basses que 120 degrés Celsius.
« Enterré dans la littérature scientifique, il existe des rapports des années 1970 montrant que des atomes de rhodium isolés pourraient effectuer cette réaction, mais ces expériences ont été faites dans des solutions, et les atomes de rhodium étaient hydrothermiquement instables, " ont déclaré Konstantin Khivantsev et Janos Szanyi, Les chercheurs du PNNL qui ont mené l'étude avec Wang. « Ce qui nous a inspirés, c'est cette nouvelle approche du piégeage d'atomes à haute température. nous avons pu montrer pour la première fois que des atomes de rhodium isolés pouvaient être à la fois catalytiquement actifs et stables."
Les chercheurs ont mené des expériences pour l'étude au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL), une installation scientifique nationale parrainée par le programme de recherche biologique et environnementale du DOE. Ils ont utilisé divers types d'imagerie à haute résolution, dont la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), La microscopie électronique à transmission, et la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie, pour vérifier que les atomes de rhodium étaient dispersés individuellement et réagissaient efficacement avec le monoxyde de carbone et l'oxyde d'azote.
Khivantsev, Szanyi, et Wang a déclaré que leurs conclusions ouvrent la voie à une rentabilité, stable, et les catalyseurs à basse température qui utilisent le rhodium beaucoup plus efficacement que les actuels. Les scientifiques souhaitent également étendre la méthode à d'autres métaux catalytiques moins coûteux tels que le palladium et le ruthénium.
