蓋世汽車訊 為了減少排氣管污染，當今的汽油汽車和卡車都配備了含有鉑族金屬（如銠和鈀）的催化轉化器。而隨著世界各國不斷尋求降低車輛排放，以應對氣候變化和惡化的空氣質量，市場對這些金屬的需求不斷增加。

太平洋西北國家實驗室（PNNL）和華盛頓州立大學（Washington State University）的科學家們發現，通過充分利用每一個昂貴金屬原子，可以減少處理汽車尾氣所需的金屬的數量。在期刊《Angewandte Chemie International Edition》發表的一項研究中，研究人員證明，與典型催化劑相比，使用約三分之一的銠可以成功減少一氧化碳和氮氧化物的排放。

（圖片來源：太平洋西北國家實驗室）

華盛頓州立大學化學工程教授Yong Wang表示：“傳統的方法是相鄰的銠原子形成納米粒子發生反應，而此次的發現與該觀點不同，我們發現，與銠納米粒子相比，單個銠原子可以更好地轉化污染物。”

轉換常規

在轉化過程中，如果催化劑能同時對一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物（如甲烷等）三種有害物起催化凈化作用，這種催化劑就稱為三效催化劑。而PNNL的研究就與三效催化劑有關。氮氧化物是一組被稱為NOx的污染物之一，是煙霧的主要成分，會間接導致大氣變暖。而高濃度的一氧化碳對人體有毒。在車輛的催化轉化器中，三效催化劑可在這些化合物到達排氣管之前攔截并分解它們，即可以將氮氧化物轉化為氮氣，將一氧化碳和碳氫化合物轉化為二氧化碳。

在內燃機中使用基于三效催化劑的后處理系統已經有幾十年了。但是，除了用于構建這些系統的貴金屬價格飛漲之外，其功效也存在問題。隨著車輛變得更加省油，排氣熱量也不斷降低。而傳統催化劑需要在高溫下工作，因此熱量降低會使其無法正常發揮作用。

美國能源部（DOE）與國內汽車制造商合作，以設計出能夠在150℃下轉化90%尾氣排放的材料。在排放控制領域，150℃已經算得上“低溫”了。此外，這些材料還必須足夠穩定，從而支持數英里的出行。

分離原子以提高反應性和穩定性

PNNL研究建立在Wang教授及其同事的早期工作基礎上。通過將混合物加熱至800℃，研究人員“捕獲”到在二氧化鈰或鈰土（一種常用于陶瓷中的粉末）載體上的單個鉑原子。而在如此高的溫度下，漂浮的金屬原子會開始粘在一起，從而降低催化能力。但在這項研究中，鉑原子固定在氧化鈰載體上，而不是彼此固定。這些孤立的原子與目標物質的反應會比它們聚集在一起時更有效。

最近，還有研究對銠采用了相同的原子捕獲方法。在滿足美國能源部150℃挑戰的模型條件下，催化劑中只有0.1%重量的原子分散銠，但在120℃的溫度下，可轉化100%的氮氧化物。

PNNL研究人員Konstantin Khivantsev和Janos Szanyi表示：“20世紀70年，有報道表明，孤立的銠原子可以進行這種反應，但這些實驗是在溶液中進行的，而且銠原子在水熱中不穩定。真正啟發我們的是這種在高溫下進行原子俘獲的新方法。這樣，我們首次證明單個銠原子既可以具有催化活性又可以穩定。”

研究人員在環境分子科學實驗室（Environmental Molecular Sciences Laboratory，EMSL）進行了這項研究的實驗，該實驗室是由美國能源部生物和環境研究計劃贊助的國家科學用戶設施。研究人員使用各種類型的高分辨率成像，包括傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、透射電子顯微鏡和能量色散X射線光譜，以驗證銠原子是單獨分散的，并與一氧化碳和氮氧化物有效反應。

Khivantsev、Szanyi和Wang表示，此次研究結果為制造成本效益高、穩定且低溫的催化劑提供了新方法，從而可大大提高銠的使用效率，遠高于當前其他方法。科學家們還計劃將該方法擴展到其他較便宜的催化金屬，如鈀和釕。

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