يعمل الباحثون على تقليل كمية المعادن الثمينة في المحولات الحفازة

تستخدم المحولات الحفازة، التي تم تقديمها على نطاق واسع في السيارات الأمريكية في السبعينيات، المعادن الثمينة كمحفزات للمساعدة في تنظيف المواد الكيميائية القاتلة والضارة من عوادم محركات الاحتراق. مع استمرار ارتفاع أسعار المعادن الثمينة، كذلك ارتفع عدد سرقات المحولات الحفازة.

في الدراسات الحديثة التي ظهرت في اتصالات الطبيعة و مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةأظهر باحثو UCF أنه يمكنهم، على التوالي، استخدام البلاتين الذري للتحكم في الملوثات وتشغيل النظام في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر بالغ الأهمية لإزالة المواد الكيميائية الضارة عند تشغيل السيارة لأول مرة.

ضبط موقع ذرة البلاتينيوم

في اتصالات الطبيعة في الدراسة، نجحت فرق بحث UCF بقيادة فودونغ ليو، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة المدنية والبيئية وهندسة البناء، وطلعت الرحمن، أستاذ بيغاسوس المتميز في قسم الفيزياء، في بناء ذرات بلاتينية مفردة مع بيئات تنسيق ذرية مختلفة في مواقع محددة على سيريا. السيريا هو أكسيد معدني يساعد على تحسين أداء التفاعل التحفيزي.

ليو ورحمان ينتميان أيضًا إلى مجموعة التحفيز للطاقة المتجددة والتحولات الكيميائية (REACT).

ويقول الباحثون إن ذرات البلاتين أظهرت سلوكيات متميزة بشكل لافت للنظر في التفاعلات التحفيزية، مثل أكسدة أول أكسيد الكربون وأكسدة الأمونيا في نظام المعالجة اللاحقة لعادم محرك الديزل.

وتحول الأكسدة أول أكسيد الكربون القاتل إلى ثاني أكسيد الكربون، والأمونيا الضارة إلى جزيئات النيتروجين والماء.

تشير النتائج التي توصلوا إليها إلى أن الأداء التحفيزي لمحفزات الذرة المفردة في التفاعلات المستهدفة يمكن تعظيمه من خلال تحسين هياكل التنسيق المحلية الخاصة بها من خلال استراتيجيات بسيطة وقابلة للتطوير الصناعي، كما يقول ليو.

'من خلال الجمع بين حسابات البنية الإلكترونية والتجارب الحديثة، حقق فريقا ليو ورحمان تقدمًا يمكن أن يفيد بشكل كبير مجتمع الحفز غير المتجانس في تصميم محفزات ذرة مفردة عالية الكفاءة لتلبية الاحتياجات البيئية والاحتياجات المتعلقة بالطاقة'. ' يقول ليو.

'لقد نجحنا في تطوير استراتيجية سهلة لضبط بيئة التنسيق المحلية لذرات البلاتين المفردة بشكل انتقائي لتحقيق أداء تحفيزي مرضي في التفاعلات المستهدفة المختلفة، الأمر الذي سيدفع فهم التحفيز المفرد للذرة إلى خطوة مهمة إلى الأمام'. يقول.

يقول رحمن إن عملهم التعاوني يوضح كيف يمكن للنظرية والتجارب التي تعمل جنبًا إلى جنب أن تكشف النقاب عن الآليات المجهرية المسؤولة عن تعزيز النشاط التحفيزي والانتقائية.

محفز أكسدة أول أكسيد الكربون الفعال

في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية في الدراسة، قام ليو ومعاونوه من جامعة فرجينيا للتكنولوجيا وجامعة بكين للتكنولوجيا بتحسين كفاءة تنقية أول أكسيد الكربون لمحفز البلاتين-سيريا-ألومينا بنسبة 3.5 إلى 70 مرة مقارنة بمحفزات البلاتين المستخدمة بانتظام.

لقد فعلوا ذلك من خلال التحكم الدقيق في هياكل التنسيق للبلاتين على المستوى الذري على دعامة السيريا-ألومينا المتوفرة صناعيًا.

يقول ليو: 'إن البنية المحلية للموقع النشط داخل المحفز تحدد أدائه الحفاز'. 'ومع ذلك، فإن التحكم الدقيق في بنية التنسيق المحلية للمواقع النشطة وتوضيح العلاقات الجوهرية بين البنية والأداء يمثلان تحديات كبيرة في مجال الحفز غير المتجانس.'

'لقد عملنا على التحكم في بنية التنسيق المحلية للمواقع المعدنية على المستوى الذري، وتطوير محفز عالي الكفاءة في التفاعلات المتعلقة بتنقية البيئة والكشف عن العلاقة بين الهيكل والأداء للمحفزات المصنعة حديثًا لتوجيه تصميم المحفز المستقبلي،' '، كما يقول.

باستخدام استراتيجية التخصيب بالعيوب السطحية، أبلغ ليو وفريقه عن التصنيع الناجح لهياكل ذرية بلاتينية أحادية الطبقة وهياكل ذرة واحدة من البلاتين مع بيئة تنسيق محلية يتم التحكم فيها بدقة على دعامات السيريا-ألومينا.

باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ ذو الزاوية المظلمة الحلقية ذات الزاوية العالية، لاحظ أحد المؤلفين الرئيسيين، يو لو من جامعة بكين للتكنولوجيا، بشكل مباشر أن الهياكل الذرية البلاتينية أحادية الطبقة والبلاتينية أحادية الذرة التي تظهر تعرضًا للمعادن بنسبة 100٪ كانت مدمجة في شعرية السيريا أو ممتزة على سطح السيريا.

أظهر الموقع أحادي الطبقة الذري البلاتيني المدمج أعلى كفاءة في تنقية أول أكسيد الكربون، والتي كانت 3.5 مرة من تلك الموجودة في الطبقة الواحدة الذرية البلاتينية الممتزة و10 إلى 70 مرة من تلك الموجودة في المواقع أحادية الذرة البلاتينية.

بالتعاون مع مجموعة أبحاث Hongliang Xin في Virginia Tech، من الجوانب التجريبية والنظرية، خلص الفريق إلى أن البنية الفريدة أحادية الطبقة الذرية البلاتينية يمكن أن تعزز تنشيط أنواع الأكسجين البينية وبالتالي تستفيد من أكسدة أول أكسيد الكربون في درجات حرارة منخفضة.

يقول ليو إن هذا العمل مهم للغاية لأنه سيساعد مجتمع التحفيز البيئي على تصميم محفزات معدنية أكثر نشاطًا بشكل أفضل مع كفاءة استخدام المعادن بنسبة 100٪ للتطبيقات البيئية المستهدفة.

'لقد أظهرنا كيفية التحكم واستخدام هياكل المواقع المعدنية أحادية الذرة والطبقة الذرية والمواقع العنقودية في التفاعلات المتعلقة بالتحكم في الانبعاثات، وكيفية فهم العلاقة بين البنية والأداء باستخدام أساليب المحاكاة التجريبية والنظرية' يقول. 'سيمهد هذا الطريق لتصميم المحفز البيئي المستقبلي على المستوى الذري وتحقيق كفاءة عالية في التطبيقات العملية'