Ученые из Института катализа СО РАН и Университета Барселоны разработали катализатор для снижения содержания угарного газа в атмосфере. Особенность этого катализатора в том, что он эффективно работает при температуре воздуха ниже нуля. В перспективе разработку можно будет использовать для нейтрализации вредных выбросов автомобильного транспорта и выбросов от ТЭЦ, которые работают на ископаемом топливе.

Загрязнение воздуха в результате сжигания топлива — серьезная экологическая проблема. Присутствие оксидов азота, очень мелких частиц углерода и угарного газа (CO) в воздухе густонаселенных городов вредит здоровью человека и приводит к преждевременной смерти. Среди связанных с загрязнением воздуха заболеваний — болезни сердца, инсульт, рак легких.

Большую часть вредных веществ, которые образуются при сжигании углеводородного топлива, нейтрализуют каталитические конвертеры. Трехкомпонентные автомобильные катализаторы обезвреживания выхлопных газов превращают оксиды азота, монооксид углерода и несгоревшие остатки углеводородов в безвредные молекулярный азот, воду и углекислый газ. Но значительная доля выбросов происходит при холодном запуске двигателя, так как катализаторы не работают при низких температурах.

Для решения этой проблемы группа ученых под руководством профессора, доктора химических наук Андрея Боронина из Института катализа СО РАН исследует каталитические свойства сложных наноструктурированных материалов на основе комбинаций металлов и оксидов.

«Мы сосредоточили внимание на платино-цериевой комбинации, способной начать окисление угарного газа (CO) уже при - 50 °C. Эту необычайную низкотемпературную активность мы достигли за счет нанесения атомов и кластеров платины на наноструктурированный диоксид церия. Ключом к пониманию характеристик этих очень активных материалов является синергизм, или взаимное усиление, между оксидным носителем и хорошо распределенной окисленной платиной. Мы можем идентифицировать активные состояния этих компонентов с помощью спектроскопических методов, но для описания их конкретной роли требуются специальные вычислительные модели», — пояснил профессор Андрей Боронин.

На графике: кривые активности катализатора в зависимости от количества платины

Теоретическое моделирование проводила группа профессора ICREA (Catalan Institution for Research and Advanced Studies) Константина Неймана в Университете Барселоны.

«С помощью квантово-химических расчетов на высокопроизводительных компьютерах мы можем моделировать эти сложные материалы и расшифровывать роль каждого компонента в достижении уникальных каталитических характеристик, измеренных экспериментально», — отметил научный сотрудник лаборатории, доктор Альберт Бруш.

Помимо нейтрализации автомобильных выхлопов разработанный катализатор в перспективе можно будет применять для очистки воздуха от выбросов ТЭЦ. 

«Полученные материалы также можно использовать для окислительного снижения выбросов загрязняющих веществ, производимых стационарными источниками, такими как электростанции, работающие на ископаемом топливе», — добавил профессор Нейман.

Проведенное исследование — важный шаг в разработке каталитических материалов для низкотемпературной окислительной нейтрализации загрязняющих веществ. Однако пока их широкому применению препятствует высокое содержание платины. По словам профессора Боронина, сейчас ученые работают над достижением таких же высоких показателей каталитической активности, но при сниженном содержании драгоценного металла.

Совместное исследование опубликовано в одном из самых престижных журналов по катализу Applied Catalysis B: Environmental (импакт-фактор 16,6).