日本成功观测到汽车尾气净化催化剂的原子级别动作

环境能源 2018年08月31日
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日本名古屋大学、丰田汽车及日本电子组成的研发小组,组合使用超高压扫描透射电子显微镜和四极杆质谱仪(QMS),在原子水平上记录了汽车尾气净化催化剂的氧化还原反应状态,同时,还首次实时检测到了通过催化反应生成和转换的气体。

研发小组着眼于难以净化的一氧化氮(NO)的分解和净化,在原子水平上实时记录了铑(Rh)纳米颗粒在NO气体的催化反应过程中发生的结构变化,同时开发了通过质谱法同步检测气体的实际分解和生成的新装置。具体做法是,将可在反应气体中进行观察的超高压电子显微镜和高灵敏度质谱仪相结合(图1),克服了传统环境电子显微镜在观察时的缺点,观测到了实际发生的化学反应,同时还能追踪物质结构的变化。该方法有望用于其他反应,对今后催化剂的开发可作出巨大贡献。

此次开发的RS-HVSTEM-QMS系统示意图

图1:(左)此次开发的RS-HVSTEM-QMS系统示意图
(右)实际装置照片

在催化剂几乎不起作用的200℃以下温度环境中,NO气体中(本实验使用的气体为99%Ne-1%NO,试料附近的气体压力为30Pa)的Rh微颗粒表面包覆有一层氧化膜。随着温度上升,Rh表面发生还原反应,氧化膜层的厚度会变薄。温度达到约300℃以上之后,在QMS内同时捕捉到了NO的消耗和N2的生成。

此时,在Rh微颗粒表面的平坦晶面上,氧化膜层会反复生成和消失,而且在相邻的低阶晶面连接的边缘部分,能观察到原子序列的激烈运动(图2)。每次温度升高都会促进催化反应生成和消耗反应气体,并捕捉气体生成达到稳定状态的状况(图3),通过初始反应速度的阿伦尼乌斯方程,可以评测伴随NO气体分解及N2气体生成产生的活化能。实际计算出来的反应活化能,比通过NO的直接化学键裂解进行分解所需的能量小一位数。

ZrO2吸附Rh纳米颗粒的表面结构变化

图2:99%Ne-1%NO气体中(气体压力30Pa,观察温度500℃)的ZrO2吸附Rh纳米颗粒的表面结构变化。请注意图中白色箭头所指处的变化。

观测到在各种温度下NO减少的同时N2增加的现象

图3:QMS频谱:横轴表示时间。观测到在各种温度下,NO减少的同时N2增加的现象。

根据实验结果推测的铑催化剂氧化还原反应模式图

图4:根据实验结果推测的铑催化剂氧化还原反应模式图

此次的研究成果已在8月7日于太平洋横滨国际会展中心举行的“第8届先进催化科学技术东京国际会议(TOCAT8)”上发表,还预定在9月11日于悉尼举行的第19届国际显微镜大会(IMC19)上发表。

文 客观日本编辑部

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