Российские учёные совместно с коллегами из барселоны нашли способ снизить выделение угарного газа в атмосферу при низких температурах.
Учёные из Института катализа СО РАН и Университета Барселоны разработали катализатор для снижения содержания угарного газа в атмосфере. Его эффективность при низких температурах в перспективе позволит нейтрализовать вред от выбросов транспорта и ТЭЦ, работающих на ископаемом топливе.
Давно известно, что загрязнение воздуха в результате сжигания топлива — серьёзная экологическая проблема. Присутствие оксидов азота, очень мелких частиц углерода и угарного газа (CO) в воздухе густонаселённых городов вредит здоровью человека и приводит к преждевременной смерти.
В обычной ситуации большую часть вредных веществ, образующихся при сжигании углеводородного топлива, нейтрализуют каталитические конвертеры, которые установлены во всех современных автомобилях. Устройство в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания специально предназначено для снижения токсичности отработавших газов с помощью восстановления оксидов азота и использования образованного от этой реакции кислорода для окисления угарного газа и недогоревших углеводородов.
Таким образом, трёхкомпонентные 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 в атмосферу происходит при холодном запуске двигателя, поскольку катализаторы не работают при низких температурах.
Невидимый убийца
Из школьного курса химии известно, что окись углерода (СО) представляет собой бесцветный непахнущий ядовитый газ. Наиболее распространёнными симптомами отравления угарным газом являются головная боль, тошнота, одышка, головокружение и помрачение сознания. Высокая концентрация газа приводит к смерти. При попадании в лёгкие СО смешивается с гемоглобином и в кровеносной системе замещает кислород, присоединённый к молекуле–носителю (гемоглобину), что в конечном итоге затрудняет выход СО из крови.
В естественных условиях окись углерода долго не существует, быстро превращаясь в углекислый газ, однако в атмосферу постоянно поступают новые молекулы. Их примерно в равных количествах создают природные источники (анаэробное дыхание микроорганизмов и пожары) и антропогенные (выхлопы автомобилей). Содержание угарного газа в воздухе непостоянно и неравномерно, оно зависит от ряда локальных условий и тщательно отслеживается специалистами. Долгосрочные эффекты отравления угарным газом любой концентрации могут быть очень серьёзными: СО может повлиять на память, работоспособность мозга, поведение и сознание. Он также может наносить перманентный вред главным органам, в первую очередь сердцу. Общепризнано, что угарный газ, содержащийся в табачном дыме, оказывает на организм не менее сильное вредное воздействие, чем никотин.
Платина — всему голова
Чтобы решить проблему выбросов угарного газа при холодном запуске автомобиля, группа учёных под руководством профессора, доктора химических наук Андрея Боронина из Института катализа СО РАН исследовала каталитические свойства (то есть ускоряющие химическую реакцию) сложных наноструктурированных материалов на основе комбинаций металлов и оксидов. С помощью нанесения атомов и кластеров платины на наноструктурированный диоксид церия учёным удалось начать окисление угарного газа уже при –50 °C.
"Этой необычайно низкотемпературной активности мы достигли после того, как сосредоточили внимание на платино–цериевой комбинации. Ключом к пониманию характеристик этих очень активных материалов является синергизм, или взаимное усиление, между оксидным носителем и хорошо распределённой 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 Боронин.
Теоретическое моделирование проводила группа профессора Константина Неймана из Catalan Institution for Research and Advanced Studies.
"С помощью квантово–химических расчётов 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.
Подходит всем трубам
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.
Учёные убеждены, что проведённое 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 исследователи работают над достижением таких же высоких показателей каталитической активности, но при сниженном содержании драгоценного металла.
