연구원들은 천연 가스를 태우는 엔진의 배기 가스에서 강력한 온실 가스를 제 거하는 방법을 시연합니다.

촉매 표면에 부착된 개별 팔라듐 원자는 저온에서 천연가스 엔진 배기 가스에서 연소되지 않은 메탄의 90%를 제거할 수 있다고 과학자들이 오늘 저널에 보고했습니다. 자연 촉매.

더 많은 연구가 필요하지만 단일 원자 촉매의 발전은 최악의 온실 가스 중 하나인 메탄의 배기 가스 배출량을 줄일 수 있는 잠재력이 있다고 그들은 말했다.

에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소와 워싱턴 주립 대학의 연구원들은 촉매가 엔진이 시동되는 낮은 온도와 가장 효율적으로 작동하지만 촉매가 자주 분해되는 높은 온도 모두에서 엔진 배기 가스에서 메탄을 제거한다는 것을 보여주었습니다.

WSU Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering의 Regents Professor이자 이 논문의 주요 저자 4명 중 한 명인 Yong Wang은 “저온 비활성 및 고온 불안정성과 같은 사람들이 싸워온 문제를 기적적으로 극복하는 거의 자체 조절 과정입니다.”라고 말했습니다.

증가하는 메탄 오염원

천연 가스로 작동하는 엔진은 전 세계적으로 3천만 ~ 4천만 대의 차량에 사용되며 유럽과 아시아에서 인기가 있습니다. 천연 가스 산업은 또한 사람들의 집에 가스를 공급하는 압축기를 가동하는 데 사용합니다. 일반적으로 휘발유 또는 디젤 엔진보다 깨끗한 것으로 간주되어 탄소 및 미립자 오염이 적습니다.

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

“천연 가스 사용에 대한 큰 추진력이 있지만 내연 기관에 천연 가스를 사용할 때 항상 배기 가스에서 연소되지 않은 천연 가스가 있을 것이며 이를 제거할 방법을 찾아야 합니다. 그렇지 않으면 지구 온난화가 더 심각해집니다.” 공동 저자인 SLAC 직원 과학자이자 Stanford University와 공동으로 운영되는 SUNCAT 계면 과학 및 촉매 센터의 공동 책임자인 Frank Abild-Pedersen은 말했습니다. “배기에서 메탄의 90%를 제거하고 반응을 안정적으로 유지할 수 있다면 엄청난 일입니다.”

지지체에 분산된 화학적 활성 금속의 단일 원자를 가진 촉매는 값비싼 귀금속의 모든 원자를 사용한다고 Wang은 덧붙였습니다.

“반응성을 높일 수 있다면 금상첨화입니다.”

동료 오염 물질의 예기치 않은 도움

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

그들은 또한 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 클러스터가 단일 원자로 분해되어 재분산되어 촉매가 열적으로 안정되었습니다. 이 가역 프로세스를 통해 촉매가 효과적으로 작동하고 엔진이 작동하는 전체 시간 동안 모든 팔라듐 원자를 사용했습니다.

SLAC 직원 과학자인 Christopher Tassone은 “우리는 지원되는 팔라듐 촉매를 안정적이고 매우 활성적으로 유지하는 방법을 찾을 수 있었고 팀 전체의 다양한 전문 지식 덕분에 왜 이런 일이 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 가야 할 길이 있지만 연구원들은 작업을 상용화에 더 가깝게 옮기기 위해 DOE의 태평양 북서부 국립 연구소뿐만 아니라 업계 파트너와 협력하고 있습니다.

Wang, Abild-Pedersen 및 Tassone과 함께 WSU Voiland School의 수석 연구원인 Dong Jiang도 작업을 이끌었습니다. 이 작업은 DOE Office of Science의 자금 지원을 받았으며 SLAC의 Stanford Synchrotron Radiation Lightsource(SSRL), Argonne National Laboratory의 APS(Advanced Photon Source) 및 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)에서 수행된 연구를 포함했습니다. 이 센터는 모두 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/07/230720125013.htm