촉매는 천연 가스 엔진에서 메탄 배출을 제어할 수 있습니다.

단일 또는 소수의 팔라듐 원자를 사용하는 촉매는 최근 연구에서 저온에서 천연 가스 엔진 배기가스로부터 미연 메탄의 90%를 제거했습니다. 더 많은 연구가 필요하지만 단일 원자 촉매의 발전은 이산화탄소의 약 25배 비율로 열을 가두는 최악의 온실 가스 중 하나인 메탄의 배출을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

저널에보고, 자연 촉매워싱턴 주립 대학과 SLAC 국립 가속기 연구소 간의 연구 노력에 따르면 단일 원자 촉매가 섭씨 350도(화씨 662도) 미만의 낮은 온도에서 엔진 배기 가스에서 메탄을 제거할 수 있는 반면 고온에서는 반응 안정성을 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다.

WSU Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering의 Regents Professor이자 해당 논문의 교신 저자인 Yong Wang은 “저온 비활성 및 고온 불안정성과 같이 사람들이 싸워온 문제를 기적적으로 극복하는 거의 자체 조절 과정입니다.”라고 말했습니다.

천연가스 엔진은 전 세계적으로 약 3천만 ~ 4천만 대의 차량에 사용되고 있으며 유럽과 아시아에서 인기가 있습니다. 가스 산업은 또한 사람들의 집에 천연 가스를 공급하는 압축기를 가동하기 위해 그것들을 사용합니다. 일반적으로 휘발유 또는 디젤 엔진보다 깨끗한 것으로 간주되어 탄소 및 미립자 오염이 적습니다.

그러나 이러한 천연 가스 엔진이 시동되면 촉매 변환기가 저온에서 제대로 작동하지 않기 때문에 연소되지 않은 열을 가두는 메탄을 방출합니다. 메탄 제거용 촉매는 낮은 배기 온도에서 비효율적이거나 높은 온도에서 심하게 분해됩니다.

“천연 가스 사용에 대한 큰 추진력이 있지만 내연 기관에 천연 가스를 사용하면 배기 가스에서 항상 연소되지 않은 천연 가스가 있으므로 이를 제거할 방법을 찾아야 합니다. 그렇지 않으면 지구 온난화가 더 심각해집니다.” “배기에서 메탄의 90%를 제거하고 반응을 안정적으로 유지할 수 있다면 엄청난 일입니다.”

지지체에 단독으로 분산된 활성 금속을 가진 단일 원자 촉매는 값비싼 귀금속의 모든 원자를 사용한다고 Wang은 덧붙였습니다.

“반응성을 높일 수 있다면 금상첨화입니다.”라고 그는 말했습니다.

그들의 작업에서 연구자들은 세륨 산화물 지지체에 있는 단일 팔라듐 원자로 만든 촉매가 엔진이 막 시동을 걸었을 때에도 엔진 배기 가스에서 메탄을 효율적으로 제거한다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

그들은 엔진 배기 가스에 항상 존재하는 미량의 일산화탄소가 실온에서 반응을 위한 활성 사이트를 동적으로 형성하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 일산화탄소는 팔라듐의 단일 원자가 이동하여 저온에서 메탄 분자를 효율적으로 분해하는 2개 또는 3개의 원자 클러스터를 형성하는 데 도움이 되었습니다.

그런 다음 배기 가스 온도가 상승함에 따라 서브나노미터 크기의 클러스터가 다시 단일 원자로 재분산되어 촉매가 열적으로 안정되었습니다. 이 가역 프로세스를 통해 촉매가 효과적으로 작동하고 엔진이 작동하는 전체 시간 동안 모든 팔라듐 원자를 사용합니다.

SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 직원 과학자이자 이 논문의 공동 저자인 크리스토퍼 타손(Christopher Tassone)은 “우리는 지원되는 팔라듐 촉매를 안정적이고 고도로 활성 상태로 유지하는 방법을 찾을 수 있었고 팀 전체의 다양한 전문 지식 덕분에 이것이 왜 발생하는지 이해할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

연구원들은 촉매 기술을 더욱 발전시키기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 백금과 같은 다른 귀금속이 다르게 작용하는 반면 팔라듐은 한 가지 방식으로 작용하는 이유를 더 잘 이해하고 싶어합니다.

이 연구는 차 안에 넣기 전에 갈 길이 있지만 연구원들은 업계 파트너 및 태평양 북서부 국립 연구소와 협력하여 언젠가 상용화에 더 가까이 다가갈 수 있도록 노력하고 있습니다.

Wang, Abild-Pedersen, Tassone 외에도 Voiland School의 수석 연구원인 Dong Jiang도 이 작업을 주도했습니다. 이 작업은 미국 에너지부의 기본 에너지 과학 사무소에서 자금을 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230720124847.htm