Theo báo chí quốc tế, một nhóm nghiên cứu quốc tế báo cáo rằng khi cho khí thải từ xe ô tô, chứa hơi nước và ở nhiệt độ cao, đi qua chất xúc tác, có thể nâng cao hiệu quả xúc tác và giảm nhu cầu của bộ chuyển đổi xúc tác xe hơi (cũng như nhiều quy trình kiểm soát khí thải và công nghiệp khác) đối với kim loại quý hiếm.
(Nguồn hình ảnh: Đại học bang Washington)
Theo nhóm nghiên cứu, khí thải nóng từ xe ô tô chứa oxit nitrogen và carbon monoxide đã kích hoạt một phản ứng chưa từng biết đến trước đây. Nếu khai thác phản ứng này một cách chủ động, có thể tăng cường hoạt tính xúc tác một cách đáng kể. Chất xúc tác là những chất có khả năng tăng tốc độ phản ứng hóa học.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khí thải ở nhiệt độ cao thúc đẩy sự hình thành cụm hạt nano cerium dioxide (một trong các thành phần của chất xúc tác) có kích thước hai chiều. Những cụm này phủ dày đặc trên bề mặt chất xúc tác, tạo ra nhiều điểm phản ứng hóa học, từ đó nâng cao hiệu quả phản ứng. Giáo sư Yong Wang của Đại học bang Washington cho biết: “Chúng giống như một miếng bọt oxy, khi oxy được kích hoạt dễ dàng, rất hữu ích cho nhiều phản ứng cần oxy, như oxi hóa hyrocarbua và carbon monoxide. Điều này cung cấp thiết kế chất xúc tác tốt hơn cho nhiều phản ứng.”
Đã phát hiện rằng phương pháp xử lý mới này có thể nâng cao hoạt tính xúc tác khoảng 10 lần. Giáo sư Wang cho biết: “Điều này có giá trị thực tiễn.”
Các nhà khoa học luôn nỗ lực cải tiến bộ chuyển đổi xúc tác và các công nghệ kiểm soát khí thải khác. Những công nghệ này có thể được sử dụng để làm sạch khí thải từ xe ô tô hoặc nhà máy điện, nhưng theo thời gian sẽ dần mất hiệu quả. Các nhà sản xuất buộc phải thêm nhiều kim loại quý hiếm và đắt tiền (như rhodium, platinum hoặc palladium) vào bộ chuyển đổi để làm chậm xu hướng suy giảm hiệu suất xúc tác và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải.
Một câu hỏi đã khiến ngành công nghiệp phải đau đầu từ nhiều năm qua là, trong môi trường khí thải khắc nghiệt ở nhiệt độ cao, mặc dù các vật liệu kim loại nano trong bộ chuyển đổi xúc tác được biết là sẽ kết tụ (hoặc tụ lại thành các hạt lớn hơn) và dần dần mất hiệu quả, nhưng thời gian sử dụng thực tế của bộ chuyển đổi xúc tác lại lâu hơn mong đợi. Kỹ sư hóa học Konstantin Khivantsev từ Phòng thí nghiệm quốc gia ngoài khơi Thái Bình Dương (PNNL) cho biết: “Nếu quan sát sự tăng kích thước hạt cerium dioxide, người ta có thể nghĩ rằng hoạt tính của chúng sẽ giảm ít nhất một trăm lần, nhưng sự thật không phải như vậy. Điều này cho thấy có một quy trình chưa được phát hiện, giúp tăng cường tính phân tán và hoạt tính xúc tác.”
Các nhà nghiên cứu từ Đại học bang Washington, Phòng thí nghiệm quốc gia ngoài khơi Thái Bình Dương, Đại học New Mexico, Đại học Sofia (Bulgaria) và Đại học Purdue đã quyết định thực hiện nghiên cứu lão hóa nhân tạo trên một loại chất xúc tác. Tuy nhiên, họ đã không sử dụng thành phần phổ biến trong các thử nghiệm lão hóa – nước, mà để chất xúc tác tiếp xúc với khí thải cực nóng trong vài giờ. Kết quả cho thấy hiệu suất của chất xúc tác không giảm mà còn tăng lên. Giáo sư Abhaya Datye từ Đại học New Mexico cho biết: “Đây là một trong những niềm vui của nghiên cứu, trực giác nói với chúng tôi rằng chất xúc tác sẽ mất hoạt tính, nhưng kết quả thí nghiệm lại hoàn toàn ngược lại. Sau nhiều thí nghiệm, chúng tôi bắt đầu khám phá các nguyên lý khoa học của nó.”
Các nhà nghiên cứu tại hiện trường nhận thấy rằng tốc độ giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi xúc tác không như mong đợi. Họ không biết rằng khi nhiệt độ khí thải từ xe ô tô rất cao, khí thải nóng thực tế đôi khi thúc đẩy phản ứng trong thời gian ngắn. Về ảnh hưởng thực tế, bây giờ các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ có thể tận dụng quy trình xử lý này một cách chủ động bằng cách kích hoạt trước chất xúc tác, tạo ra trạng thái phản ứng trong giai đoạn đầu của vòng đời nó.
Công nghệ xử lý mới này có thể giảm lượng kim loại quý như rhodium cần thiết cho chất xúc tác, do đó tiết kiệm chi phí rõ rệt. Bộ chuyển đổi xúc tác ô tô thường chứa khoảng 800 đô la rhodium. Nghiên cứu viên János Szanyi tại Phòng thí nghiệm quốc gia ngoài khơi Thái Bình Dương cho biết: “Trong chất xúc tác đã qua sử dụng, các hạt nano cerium dioxide hình thành lớp cerium dioxide ở cấp độ nguyên tử trong quá trình phân tán, tiếp xúc trực tiếp với rhodium, platinum và các kim loại quý khác. Điều này cho phép chất xúc tác chịu được môi trường khắc nghiệt ở nhiệt độ cao của khí thải xe hơi, đồng thời duy trì hoạt tính.”
Nhóm nghiên cứu đã xác thực công nghệ xử lý chất xúc tác này ở quy mô phòng thí nghiệm. Hiện tại, họ đang hợp tác với các đối tác trong ngành để thử nghiệm chất xúc tác trong điều kiện hoạt động thực tế của xe hơi.