Development of nanocrystalline Sr12Al14O33 and Ca12Al14O33 soot oxidation catalysts

Elke keer dat een dieselmotor draait, laat deze een spoor van minuscule, zwarte koolstofdeeltjes achter die bekend staan als roet. Deze deeltjes zijn meer dan alleen een irritatie; ze vormen een aanzienlijk gezondheidsrisico en een belangrijke milieuvervuiler. Om onze lucht schoon te houden, gebruiken moderne voertuigen een combinatie van filters en katalysatoren om dit roet te verbranden voordat het de atmosfeer ontsnapt. De katalysatoren fungeren als een chemische vonk, die de koolstof helpen te reageren met zuurstof bij lagere temperaturen dan wanneer dit op zichzelf zou gebeuren. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op dure edelmetalen zoals platina om deze taak te volbrengen, maar de hoge kosten en de beperkte voorraad van deze metalen hebben onderzoekers gedreven om te zoeken naar goedkopere, meer overvloedige alternatieven. De uitdaging is om een materiaal te vinden dat niet alleen betaalbaar is, maar ook over de specifieke chemische eigenschap beschikt om zuurstof te grijpen en deze efficiënt aan het roet af te geven.

Een team onderzoekers aan het Boreskov Instituut voor Katalyse in Rusland heeft gewerkt aan een oplossing die gebruikmaakt van een familie materialen genaamd mayeniet. Dit zijn complexe mengsels van calcium, aluminium en zuurstof die een unieke, kooiachtige structuur hebben. Binnen deze microscopische kooien kan het materiaal speciale vormen van zuurstof vasthouden die zeer reactief zijn. Denk aan deze gevangen zuurstofatomen als zijnde in een staat van hoge paraatheid, ongeduldig om eruit te springen en met andere stoffen te reageren. Hoewel wetenschappers al lange tijd op de hoogte zijn van deze materialen, waren ze moeilijk te gebruiken in praktische toepassingen omdat traditionele methoden voor het maken ervan extreem hoge hitte vereisen. Deze intense hitte zorgt ervoor dat het materiaal samenklontert tot grote, solide brokken met zeer weinig oppervlakte, waardoor het ineffectief wordt als katalysator. Het doel van dit nieuwe onderzoek was om een manier te vinden om deze materialen in een fijn verdeelde, poreuze vorm te creëren met veel mildere omstandigheden, en om te zien of een strontium-gebaseerde versie van het materiaal wellicht nog beter zou werken dan de traditionele calcium-gebaseerde versie.

De onderzoekers testten verschillende verschillende manieren om deze materialen op te bouwen, beginnend met methoden die betrokken waren bij het malen van diverse chemische poeders of het mengen van deze in vloeibare oplossingen. Ze probeerden deze mengsels te verhitten naar temperaturen variërend van gematigd tot zeer hoog. Echter, de meeste van deze benaderingen slaagden er niet in het gewenste resultaat te produceren. De mengsels vormden ofwel niet de juiste kristalstructuur bij lagere temperaturen, of ze vormden de juiste structuur maar alleen als grote, dichte klonten met bijna geen oppervlakte wanneer ze werden verhit tot de noodzakelijke temperaturen. Eén methode, waarbij metalen nitraten met organische zuren werden gemengd, bleek bijzonder moeilijk omdat het de neiging had om ongewenste carbonaatverbindingen te creëren in plaats van het beoogde materiaal. Het team kwam tot de conclusie dat de meest succesvolle benadering verrassend eenvoudig was: ze namen vers gemaakte calciumoxide of strontiumoxide en mengden dit met een suspensie van aluminiumhydroxide in water. Deze reactie creëerde een natte pasta die, wanneer gedroogd en verhit tot een relatief lage temperatuur van 600 graden Celsius, transformeerde in de gewenste nanocristallijne mayenietstructuur.

De resulterende materialen waren opmerkelijk verschillend van de exemplaren die met oudere methoden zijn gemaakt. In plaats van dicht en inert te zijn, waren deze nieuwe monsters poreus en hadden ze een enorm intern oppervlak, waarbij de calciumversie 80 vierkante meter per gram bereikte en de strontiumversie 68 vierkante meter per gram. Dit hoge oppervlak is cruciaal omdat het meer ruimte biedt voor de chemische reacties om plaats te vinden. Om te begrijpen wat er binnenin deze materialen gebeurde, gebruikten de wetenschappers een techniek genaamd elektronparamagnetische resonantie, wat fungeert als een gevoelige detector voor ongepaarde elektronen. Ze ontdekten dat na het verhitten van de monsters in lucht, de oppervlakken bezet waren met actieve zuurstofradicalen. Dit zijn zuurstofatomen die een extra elektron hebben, waardoor ze zeer onstabiel en ongeduldig zijn om te reageren. Het strontium-gebaseerde monster vertoonde een nog hogere concentratie van deze actieve radicalen dan de calciumversie, wat suggereert dat de grotere kooien in de strontiumstructuur de zuurstof gemakkelijker laten bewegen en actiever maken.

De echte test van deze materialen kwam toen de onderzoekers ze gebruikten om dieselroet te verbranden. Ze mengden een kleine hoeveelheid van de katalysator met dieselroet en verhitten het mengsel in een luchtstroom, waarbij ze de temperatuur mat waarbij koolmonoxide begon vrij te komen als een teken van het verbranden van het roet. Een standaard aluminiumoxide materiaal, gebruikt als baseline, vereiste een temperatuur van 620 graden Celsius om dit proces te starten. In tegenstelling hiertoe begon de calcium-gebaseerde katalysator te werken bij 320 graden en bereikte een piekactiviteit bij 480 graden. De strontium-gebaseerde katalysator presteerde zelfs nog beter, waarbij de reactie begon bij slechts 280 graden en piekte bij 440 graden. Deze significante daling in temperatuur betekent dat de katalysator veel efficiënter is in het schoonmaken van de uitlaatgassen. De onderzoekers merkten op dat de superieure prestaties van het strontiummonster waarschijnlijk voortkomen uit de bredere kristalstructuur, die de actieve zuurstofsoorten gemakkelijker laat bewegen en de roetdeeltjes sneller laat bereiken.

Deze studie demonstreert dat het mogelijk is om hoogwaardige roetoxidatie-katalysatoren te creëren zonder gebruik te maken van dure edelmetalen. Door een eenvoudige manier te vinden om deze materialen bij gematigde temperaturen te synthetiseren, hebben de onderzoekers de deur geopend voor het gebruik van nanocristallijn mayeniet en zijn strontium-analoog als praktische instrumenten voor milieubescherming. De strontiumversie, in het bijzonder, onderscheidt zich als een veelbelovende kandidaat voor toekomstige toepassingen, en biedt een kosteneffectieve en krachtige manier om schadelijke emissies van dieselmotoren te verminderen. Het werk bevestigt dat het unieke vermogen van deze materialen om reactieve zuurstofsoorten te huisvesten en te mobiliseren hen ideaal maakt voor het aanpakken van het hardnekkige probleem van roetvervuiling.