Автомобильный транспорт — один из основных источников загрязнения атмосферы. По данным исследований, на его долю приходится до 60% вредных выбросов в городах. Особую опасность представляют оксиды углерода (CO), азота (NOₓ) и углеводороды, которые способствуют образованию смога и вызывают серьезные заболевания у людей.
Для снижения токсичности выхлопных газов используются каталитические нейтрализаторы. Однако их производство часто связано с высокой стоимостью и применением дорогих металлов, таких как платина, палладий и родий. В поисках более доступных решений ученые исследуют альтернативные методы создания катализаторов, в том числе плазменно-электролитическое осаждение (ПЭО).
Метод плазменно-электролитического осаждения
ПЭО — это современный метод нанесения оксидных слоев на металлические поверхности с использованием электрических разрядов в водных растворах. Его преимущества:
- Экологичность (по сравнению с традиционными химическими методами).
- Возможность включения в покрытие различных металлов (никель, медь, кремний и др.).
- Высокая термостойкость и износостойкость полученных слоев.
В данном исследовании ученые сформировали никель- и медьсодержащие оксидные покрытия на титановой основе и изучили их каталитическую активность в реакции окисления CO.
Результаты исследования
Состав и структура катализаторов
Каталитические слои формировались в двух типах электролитов:
- Электролит А: на основе фосфатов и боратов.
- Электролит В: на основе силиката натрия.
После осаждения покрытия дополнительно модифицировали, пропитывая их растворами нитратов никеля и меди с последующим отжигом. Это позволило увеличить содержание активных металлов в катализаторах.
Анализ показал, что покрытия состоят из:
- TiO₂ (рутил и анатаз — кристаллические формы диоксида титана).
- NiO и CuO (оксиды никеля и меди, повышающие каталитическую активность).
Каталитическая активность
Испытания проводились в двух режимах:
- Лабораторные условия (модельная реакция окисления CO).
- Стендовые испытания на реальном двигателе.
Лабораторные тесты показали:
- Исходные покрытия начинают активно окислять CO при 300–400°C.
- После модификации эффективность катализаторов значительно возрастает:
- Образцы из электролита В обеспечивают 100% конверсию CO при 250°C.
- Образцы из электролита А достигают 99,6% конверсии при 350°C.
Испытания на двигателе подтвердили работоспособность катализаторов, хотя их эффективность оказалась ниже (7–11% конверсии CO). Это связано с малой площадью каталитической поверхности в экспериментальных образцах.
- Метод ПЭО позволяет создавать катализаторы на основе оксидов титана, никеля и меди, эффективные в окислении CO.
- Дополнительная модификация повышает активность покрытий, особенно при использовании силикатного электролита (электролит В).
- Первые испытания на двигателе подтвердили принципиальную возможность применения таких катализаторов в реальных условиях.
В будущем планируется исследовать более сложные составы покрытий, включая благородные металлы и оксиды редкоземельных элементов, чтобы повысить эффективность катализаторов для промышленного использования.
Это исследование открывает новые пути для разработки доступных и экологичных решений в области очистки автомобильных выхлопов.
