UCR 科学家减少氢发动机的有害污染

燃烧氢气的内燃机在应对气候变化方面带来了巨大的前景，因为它们功能强大，不会排放任何导致地球变暖的碳。

它们可以为重型卡车和公共汽车提供动力，适用于非公路和农业设备以及备用发电机，为柴油发动机提供更清洁的替代品。然而，它们并不完全干净。它们在高温燃烧过程中排放氮氧化物。氮氧化物与大气中的其他化合物反应，形成有害的臭氧和细颗粒物，这会加重我们的肺部并导致长期的健康问题。

幸运的是，加州大学河滨分校（UCR）的科学家们发现了一种低成本的方法，可以通过提高催化转化器的效率来显著减少氢燃料发动机的这种污染。正如《Nature communication》杂志报道的那样，研究人员发现，在催化转化器中注入一种称为 Y 型沸石的高度多孔材料中的铂会大大增强氮氧化物和氢气之间的反应，将它们转化为无害的氮气和水蒸气。研究发现，与不含沸石的催化器相比，在 250 ℃的发动机温度下，转化为无害物质的氮氧化物量增加了 4 到 5 倍。该系统在较低温度下特别有效，这对于在发动机首次启动时减少污染至关重要，并且仍然相对凉爽。更重要的是，该技术还可以减少配备氢气喷射系统的柴油发动机的污染，通讯作者、UCR 伯恩斯工程学院化学与环境工程副教授 Liu Fudong解释说。氢气喷射将类似于大型柴油卡车的选择性催化还原系统中使用的喷射系统。沸石是低成本材料，具有主要由硅、铝和氧原子组成的明确晶体结构。它们的大表面积和由均匀孔隙和通道组成的三维笼状框架可以更有效地分解污染物。

图 沸石晶体的分子结构。

通过将铂与 Y 沸石（来自更广泛的沸石化合物家族的一种合成类型）物理混合，研究人员创建了一个系统，可以有效捕获氢气燃烧过程中产生的水。这种富含水的环境促进了氢的活化，这是提高氮还原效率的关键。

UCR 的研究科学家、该研究的主要作者Xie shaohua解释说，沸石本身并不是催化剂。相反，它通过创造一个富含水的环境来提高铂催化剂的有效性。弗吉尼亚理工大学的博士生 Liu Liping和副教授 Xin Hongliang通过对新催化剂系统的理论建模进一步验证了这一概念。

“这个概念也适用于其他类型的沸石，”Xie 补充道。“这是一个普遍的策略。”Liu强调，减少污染的方法相对简单。“我们不需要使用复杂的化学或其他物理过程，”Liu 说。“我们只是将铂和沸石这两种材料混合在一起，进行反应，然后我们会看到活性和选择性的提高。

UCR 的 Liu、Xie 和 Ye Kailong将铂和 Y 分子筛粉末混合，并将其提供给位于新泽西州伊泽林的巴斯夫环境催化剂和金属解决方案公司 （ECMS） 的合作科学家 Li Yuejin。粉末被制成带有结合化合物的浓稠液体浆料，并应用于原型催化转化器内的蜂窝结构。来自纽约州厄普顿布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源 II 或 NSLS-II 的科学家也是合作者。

他们的论文标题是“Zeolite-promoted platinum catalyst for efficient reduction of nitrogen oxides with hydrogen.（沸石促进的铂催化剂，用于用氢气有效还原氮氧化物）”。

Liu 和 Xie 希望资助这项研究的BASF能够将这项技术商业化，该技术正在申请一项正在申请专利。

“嗯，我们很自豪，”Xie说。“我们开发了一种新技术来处理氮氧化物排放控制，我们认为这是一项了不起的技术。”

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52382-7

翻译人：沈亚皓