Jak najlepiej wykorzystać katalizatory w silnikach wysokoprężnych
Transport towarowy odbywa się głównie przy pomocy pojazdów napędzanych silnikami wysokoprężnymi. Spalanie paliwa powoduje, że silniki te utleniają w powietrzu część azotu, co prowadzi do uwalniania tlenków azotu. Związki te przyczyniają się do powstawania smogu, negatywnie wpływając na jakość powietrza i zdrowie ludności. Silniki wysokoprężne są wyposażone w katalizatory eliminujące takie szkodliwe związki, ale obecne katalizatory ulegają z czasem degradacji. Projekt CHASS(odnośnik otworzy się w nowym oknie), wspierany przez program działań „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badał przyczyny dezaktywacji katalitycznej na poziomie molekularnym.
Zeolity Cu
Zeolity to naturalnie występujące minerały posiadające mikroporowatą strukturę krystaliczną. Ich właściwości strukturalne i chemiczne sprawiają, że nadają się do stosowania jako katalizatory – mogą zwiększać szybkość reakcji chemicznej, same nie przechodząc trwałej zmiany chemicznej. Oprócz występujących w przyrodzie zeolitów jest wiele związków syntetycznych, w tym zawierające miedź (Cu) zeolity Cu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które standardowo stosowane w silnikach wysokoprężnych. Zeolity Cu, a w szczególności zeolity chabazytowe (Cu-CHA), które są przedmiotem prac w projekcie, są w stanie redukować tlenki azotu w spalinach silników wysokoprężnych, ale za sprawą pewnych dwóch czynników katalizator ulega degradacji w miarę upływu czasu. Gdy temperatura układu wydechowego silnika wysokoprężnego staje się zbyt wysoka, to znaczy przekracza zakres 150-500 °C, w którym działa najlepiej, cereolity Cu mogą ulec rozpadowi. Katalizatory te są ponadto szczególnie wrażliwe na obecność nawet niewielkich ilości dwutlenku siarki (SO2), często powstającego podczas spalania oleju napędowego.
Komplementarne podejścia do badania dezaktywacji katalitycznej
Projekt CHASS zgromadził czterech doktorantów, z których każdy ma odmienne podejście do badania zachowania katalitycznego na poziomie molekularnym. Obliczenia wykorzystujące mechanikę kwantową pozwoliły na modelowanie oparte na teorię funkcjonału gęstości(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i były prowadzone równolegle z eksperymentami z przepływem reaktora mającym na celu zasiarczenie. Koordynatorka projektu Gloria Berlier tłumaczy: „Obliczenia wykorzystujące mechanikę kwantową posłużyły także do opisania na poziomie atomowym starzenia hydrotermalnego katalizatora, zbudowania modelu mikrokinetycznego dla dealuminacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i interpretacji eksperymentalnie zbadanego wpływu wody na reakcję”. Zespół CHASS opracował także modele wykorzystujące inne podejścia. Wyniki badań in-situ i operando przy użyciu charakterystyki spektroskopowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) zostały wykorzystane do opracowania modelu dezaktywacji siarki, a skład materiałów i dane eksperymentalne pozwoliły na opracowanie modeli hydrotermalnego starzenia się katalizatorów.
Obraz na poziomie atomowym
Wyniki tych prac przyczyniły się do poszerzenia wiedzy naukowej na temat tego, w jaki sposób i dlaczego katalizatory silników wysokoprężnych ulegają dezaktywacji. Katalizatory są dynamiczne, co utrudnia poznanie ścieżek reorganizacji atomowej wywołanej reakcją. Obliczając rozkład i dyfuzję jonów Cu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w zeolicie i opisując ruchy atomów glinu w katalizatorze, zespół CHASS uzyskał unikalny wgląd w ścieżki reakcji, które wpływają na materiał Cu-CHA. „Zidentyfikowaliśmy miejsca Cu bardziej wrażliwe na zasiarczenie i zaproponowaliśmy mechanizm reakcji zgodny z wynikami eksperymentalnymi. Wykazaliśmy, że zatruwający efekt siarki w postaci SO2 jest bardzo wrażliwy na skład i wstępną obróbkę katalizatora”, wyjaśnia Berlier. Europa planuje wycofać pojazdy napędzane paliwami kopalnymi po 2035 r., a silniki wysokoprężne trzeba będzie zastąpić ekologiczną alternatywą, na przykład silnikami na wodór. Prace naukowców na wczesnym etapie projektu CHASS przygotowały drogę do przełomowych postępów w opracowywaniu nowych katalizatorów potrzebnych w przyszłych technologiach niskoemisyjnych.
