Заменитель катализатора: Чем заменить катализатор? — купить трубы гофрированнные в интернет магазине demimotors.ua

Содержание

Замена катализатора. Какие есть варианты?

Катализатор вышел из строя! Что же делать? Этот вопрос встает перед автомобилистами зачастую очень неожиданно и остро. От его быстрого решения зависит целостность деталей выхлопной системы автомобиля, а ведь это влияет не только на количество выбросов вредных соединений в атмосферу, но и на правильную работу вашего автомобиля.

На первый взгляд, оптимальный вариант – это замена катализатора на новый. Но с этим зачастую возникает ряд проблем, так как цена на новые каталитические нейтрализаторы достаточно высока в силу применения в их конструкции драгоценных металлов, таких как палладий и платина.

Поэтому большинство автомобилистов предпочитают не тратить сумасшедшие денежные средства на оригинальный катализатор, а произвести его замену иным способом. Существуют следующие альтернативные варианты.

Во-первых, универсальный нейтрализатор, который подходит для различных моделей автомобилей и имеет невысокую цену.

Во-вторых, замена на пламегаситель, который по функциональности схож с катализатором, но имеет более упрощенную конструкцию. Пламегаситель, как и катализатор, обрабатывает первичный поток выхлопных газов, двигающихся из коллектора, для оптимальной работы основного резонатора. Однако эффективного окисления выхлопных газов не происходит. При этом за счет меньшего сопротивления в выхлопном тракте, мощность автомобиля увеличивается и улучшается его динамика. А главное его преимущество – это приемлемая цена.

Существуют три варианта замены автомобильного катализатора на пламегаситель. Во-первых, установка готового штатного пламегасителя. Такие пламегасители выпускают на наиболее известные модели автомобилей. Во-вторых, это установка универсального пламегасителя. Он оптимален для автомобилей объемом менее 1,8 литра. В случае автомобилей объемом свыше 1,8 литра, универсальные пламегасители работают недостаточно эффективно и очень громко. Поэтому третий вариант – это изготовление пламегасителя на основе корпуса родного автомобильного катализатора. Для него подбирают индивидуальную начинку и шумоизоляцию, что позволяет пламегасителю работать более эффективно и долговечно, но и потребует немалых финансовых затрат.

Ошибочно говорят, что можно просто демонтировать катализатор и поставить вместо него прямую трубу. И что это к тому же значительно увеличит мощность автомобиля. Даже не думайте об этом! Это приведет к скорой поломке основного резонатора. Самое правильное решение, если Вы хотите получить дополнительную мощность – это установка специальной выпускной системы от коллектора до глушителя, которая работает без катализатора. Только тогда выпускная система будет обладать правильно рассчитанными резонансными свойствами. И Вы будете полностью довольны полученным результатом, почувствовав значительную прибавку в мощности вашего автомобиля.

Также есть такие умельцы, которые вместо катализатора вставляют в пустую банку мочалки. Да, это избавит от шума, но мочалки непроницаемы для ударной волны, а даже, наоборот, будут являться ее гасителями. А это негативно скажется на динамике вашей машины.

Поэтому чтобы не явилось причиной того, что Вам необходимо заменить или демонтировать катализатор из выхлопного тракта. Будь то его выход из строя, или желание увеличить мощность вашего автомобиля, помните, что в случае стандартных выхлопных систем лучше поставить или пламегаситель, или новый катализатор. Пусть лучше мы с Вами будем дышать несколько более чистым воздухом, чем ваша машина станет ехать чуть-чуть резвее!

в чем разница и как изменится звук?

08.11.2019

Содержание статьи:

Современные автомобили оснащаются всё более усовершенствованными выхлопными системами. Отчасти это связано с борьбой за экологическую безопасности, отчасти — со стремлением уменьшить шумность во время езды. Для достижения минимальной шумности часто обращаются к такому методу, как монтаж пламегасителя вместо резонатора.

Элементы системы работают в условиях высоких температур и агрессивного влияния внешней среды, поэтому часто со временем приходит в негодность. На рынке наблюдается тенденция к унификации всех запчастей выхлопной системы, поэтому можно без труда подобрать деталь под свою модель автомобиля, это касается также пламегасителей и резонаторов. Доступна их быстрая установка с минимальным количеством резочных или сварочных работ.

Тем не менее, производить замену резонатора на пламегаситель рекомендуется не самостоятельно, а обратиться к специалистам.

Пламегаситель и резонатор: разница

Пламегаситель, стронгер, турбинка — разновидности резонаторов, отличающиеся по конструкции и принципу работы. Например, пламегасителем называют резонатор, выполненный из нержавеющей стали с установленной внутри подпорной шайбой, в некоторых случаях без нее. Пламегасители обычно устанавливаются вместо катализаторов. Вместо коллекторного катализатора целесообразно устанавливать укороченный пламегаситель без подпорной шайбы. Такие пламегасители чаще всего устанавливают во время тюнинга выхлопных систем или на мощные турбированные машины.

Коллекторный пламегаситель:

Пламегаситель без подпорной шайбы:

Пламегаситель c подпорной шайбой:

Стронгеры (турбинки) предназначены для уменьшения колебаний выхлопных газов в выхлопной системе, но звук они гасят меньше других вариантов. Простейшие резонаторы делят на два вида по способу гашения резонанса: прямоточные гасят звук при помощи перфорированной трубы, вокруг которой расположена шумопоглощающая набивка, а более сложная конструкция включает в себя также камеру для создания давления и разряжения.

Стронгер:

Стронгер, вид сзади:

Можно ли установить пламегаситель вместо резонатора и как изменится звук? Как правило, его устанавливают вместо катализатора, хотя это и вызывает повышенную вредность выхлопов. Катализатор обеспечивает другую скорость передвижения газов, по-другому отражает звуковые волны и импульсы. На этом завязаны и все остальные системы автомобиля. Если поставить другой прибор, то параметры КПД, расхода топлива, ресурса двигателя могут поменяться. Мощность мотора такое решение не особенно изменяет, максимум будет наблюдаться увеличение на 1-2%. Зато двигатель будет очень тихим, на таком автомобиле приятно ездить.

Если все же планируется внести изменение, то делать это необходимо руками опытных специалистов-автомехаников.

Каким должен быть пламегаситель

Что касается корпуса пламегасителя, то он обязательно должен состоять из двух слоев — тогда наружный будет гасить колебания внутреннего. Если это условие не соблюдается, то один корпус будет дребезжать, когда в него ударит волна звука. Также наружный материал должен быть устойчив к коррозии, иначе неизбежны повреждения из-за перепадов температуры, влажности и соли на дорогах. Оптимально — жаропрочная нержавеющая сталь. На внутреннем же слое коррозия обычно не развивается, поэтому выбор хороших материалов не критичен.

Другой важный фактор при выборе — это объем пламегасителя, он напрямую влияет на то, как будут работать глушитель и резонирующее устройство. Если объема не хватает, то будет возникать посторонний звук при нажатии на газ, а также выходящий из глушителя звук тоже будет сильнее.

Резонатор вместо катализатора

Существует такой вид тюнинга, как монтаж резонатора без катализатора. Это довольно распространенный в России способ ремонта при любых проблемах, возникающих с катализатором, в этом легко убедиться, почитав автомобильные форумы. Удаление катализатора относится к мерам, нарушающим экологические нормы, но привлекает своей дешевизной. Монтаж заменителя обойдется в разы дешевле, чем покупка новой запчасти.

Наиболее часто каталитический нейтрализатор заменяют на стронгер или пламегаситель, поскольку обычный пустотелый резонатор под катализатор плохо переносит соседство с двигателем.

Изредка новое устройство устанавливают сразу с несколькими катализаторами, вживляя его вместо последнего из них. Таким образом, проходя весь путь от двигателя, выхлоп теряет большую часть энергии и температуры и не повреждает резонатор с катализатором.

Резонаторы с разряжением:

Возможные причины замены резонатора на пламегаситель

Владельцы автомобилей периодически сталкиваются со следующими проблемами:

Механические повреждения, вызванные ударом по корпусу либо сильными вибрациями при поврежденных резиновых подвесах.
Разрушилась внутренняя структура устройства.
Прогорел корпус или другие компоненты конструкции.
Меняется звук — при мелких нарушениях герметичности появляются секущие звуки, при серьезных — характерный рев.
В салоне появляется запах выхлопных газов, также они выходят из-под дна авто.
Изнутри корпуса слышится дребезжание.

Во всех этих ситуациях решением может стать замена резонатора, и в этот момент перед владельцем встает вопрос — резонатор или пламегаситель, что лучше? Необходимо четко понимать отличия между этими устройствами, учитывать особенности конструкции выхлопной системы конкретной машины, а также опыт замены на похожих авто.

Почему заменяют катализатор на пламегаситель

На это есть ряд причин:

Повышение мощности автомобиля. Пламегаситель возвращает машине мощность, которую ранее потреблял катализатор, а также легко пропускает ранее задерживаемые газы. В результате автомобиль двигается легче.
Экономия. Нет необходимости покупать дорогостоящий катализатор под конкретную модель авто. Разница в цене заметная — в среднем, более чем в 4 раза.

Возможность заливать бензин с более низким октановым числом — соответственно, более дешевый.

Кроме того, снижается нагрузка на двигатель, и он служит на порядок дольше.

Еще один интересный вариант — при удалении сажевого фильтра переместить штатный (заводской) резонатор на место сажевого фильтра (возможно не на всех автомобилях). В процессе вырезается заводской дополнительный глушитель, после чего он вставляется непосредственно в прямоток с помощью соединения 4 патрубков. Этот вариант не слишком сильно отличается от первого, кроме устранения одного из утолщений под автомобильным дном.

Чтобы записаться на замену резонатора, позвоните нам по телефону или используйте форму на сайте. Автосервис находится в Санкт-Петербурге, на улице Кантемировской, 39Д. Гарантируем качественную диагностику и обслуживание по приемлемым ценам.

Замена катализатора на пламегаситель в ЗАО Москвы

Каталитический нейтрализатор (или как его называют — катализатор) служит для снижения токсичности выхлопа автомобиля. С момента введения экологической нормы «Евро 3» такие приспособления устанавливают на каждый современный автомобиль. Катализатор представляет собой твердый наполнитель сотовой структуры, изготовленный из керамики и драгоценных металлов. Устанавливается он в самом начале выхлопной системы, сразу после выпускного коллектора.

Срок его службы достаточно большой. Однако, это справедливо лишь при использовании качественного топлива и правильных настройках двигателя. В противном случае, соты катализатора быстро забиваются частицами сажи, или оплавляются из-за догорания топлива внутри наполнителя. Проходимость узла резко снижается, падает мощность мотора, возникает опасный нагрев корпуса катализатора. Раскаленный блок может привести к пожару, особенно в случае остановки автомобиля над сухой травой или листьями.

Способы решить эту проблему, или чем заменить катализатор

В этом случае у вас есть несколько вариантов:

Установить новый каталитический нейтрализатор.

Способ весьма дорогостоящий. Стоимость фирменного блока измеряется цифрой с 4 нулями. Если приобрести относительно недорогой «не брендовый» прибор от сомнительного производителя, он быстро выйдет из строя (поскольку условия эксплуатации остаются прежними), и вся экономия сойдет на нет.
Выбить катализатор. Причем в буквальном смысле — из корпуса выбиваются остатки закупоренной керамики. Проходимость выхлопной системы сразу возрастает, повышается мощность мотора. Однако пламя, вырывающееся из выпускного коллектора, быстро выведет из строя глушитель, поскольку оно ничем не сдерживается. Да и звук выхлопа становится слишком громким. К тому же, пробить катализатор не всегда удается малыми затратами. Есть риск повредить корпус.

Заменить катализатор на пламегаситель. В этом случае, в корпусе катализатора собирается металлическая конструкция (возможно с волокнистым наполнителем). Новый блок снижает температуру выхлопа, удаляет пламя и эффективно снижает шум.

На последнем способе остановимся подробнее. Установка пламегасителя вместо катализатора — стандартная процедура модернизации выхлопной системы в сервисе GSAvto.

Замена катализатора на пламегаситель

Для начала требуется диагностика выхлопной системы автомобиля. Прежде чем поставить пламегаситель вместо катализатора, необходимо точно знать, что он вышел из строя. Специалисты GSAvto помогут Вам принять наиболее бюджетное решение.

Тюнинг катализатора включает следующие этапы работ:

Демонтаж узла. Мы делаем это аккуратно, не повреждая остальные части выхлопной системы.
Разборка катализатора, с учетом особенностей конструкции. Корпус вскрывается с помощью плазменного резака или тонких дисков болгарки, чтобы уменьшить ширину разреза.
Извлечение закоксовавшегося или спекшегося наполнителя.
Установка внутри корпуса одного из вариантов пламегасителя. Он может быть просто стальным, или с минеральным наполнителем. Преимущества и недостатки каждого варианта обсуждаются с Вами при выборе конструкции.
При необходимости возможна установка готового пламегасителя, по согласованию с клиентом.
Перепрограммирование компьютера или установка обманок для нормальной работы лямбда датчиков.

Замена пламегасителя может потребоваться только при нарушении режима формирования топливной смеси двигателя или механическом повреждении.

После удаления катализатора, ваш автомобиль по уровню содержания СО будет соответствовать экологическим нормам Евро 2.

Если на Вашем автомобиле необходимо выбить катализатор и произвести установку пламегасителя — приезжайте в автосервис GSAvto по адресу: г. Москва, ул. Кубинка, 3/10с3, (ЗАО, районы Кунцево и Можайский, м. Молодежная, м. Кунцевская) и наши специалисты произведут оперативную замену катализатора на пламегаситель по доступным ценам!

Замена катализатора на пламегаситель — Троицкий вариант — Наука

Выхлопная система автомобиля наделена фильтром, который очищает газы перед их выходов в атмосферу. Со временем этот фильтр он же катализатор засоряется сажей и прочими осадочными продуктами горения. Почистить его не реально, поэтому нужно менять. И тут вопрос — как дорого это?

Пламегаситель

Чтобы поставить новый катализатор предстоит заплатить немало. В зависимости от марки, модели авто и его года выпуска, стоимость нового иногда может составлять пяту часть от стоимости самого транспортного средства. Согласитесь, это повод задуматься об «окольных путях». И таковые имеются — это пламегаситель. Поэтому, основная причина, почему замена катализатора на пламегаситель пользуется популярностью среди наших соотечественников.

Пламегаситель (в народе «пламегас») — заменитель катализатора, предназначенный для замедления и охлаждения газов. Представляет собой трубку с перфорацией и прошивкой. Изготавливается либо из металла, либо из нержавеющей стали. Вторые могут существенно дороже стоить, но и срок их службы будет больше. В силу специфики расположения пламегасителя в системе выхлопной трубы, имеет место контакт с влагой, высокой температурой, продуктов горения. Поэтому главное требование к приспособлению — стойкость к коррозии.

В зависимости от расположения пламегасителя, бывают они:

Коллекторные — устанавливаются в полость коллектора.
Магистральные — накладываются на трубу. В этом случае крайне важен материал изготовления, так как предстоит соприкасаться с пылью, грязью, солью и другими веществами с дороги.

Установить качественный и надежный пламегаситель можно в компании ramflow.ru с гарантией службы не менее 6 лет.

Преимущества замены

После установки пламегасителя на место катализатора, снижается нагрузка на двигатель. Вы сразу отметите, что автомобиль стал шустрее и на одной передаче едет дольше. Это связано с особенностью строения катализатора из-за чего на выход газа и его очищение затрачивается около 7% мощности авто.

Отметите, что езда стала значительно более тихой, исчез характерный свист под днищем, благодаря тому, что пламегаситель снижает нагрузку на двигатель.

Кроме этого, причиной замены катализатора на пламегаситель являются:

Существенная экономия средств на установке (в раз 8 дешевле катализатора).
Экономия на топливе (например, можно заливать не 95, а 92 бензин).
Увеличение мощности авто.

Чтобы такая замена была оправданной, производить ее нужно руками профессионалов. Поэтому обращайтесь в ателье тюнинга или автомастерские с хорошей репутацией.

Solaris: замена катализатора или ремонт нейтрализатора на Хендай (Hyundai) Солярис

Каталитический нейтрализатор выхлопных газов или, как его чаще называют, катализатор – неотъемлемая составляющая выхлопной системы всех современных автомобилей.

Назначение каталитического нейтрализатора и возможен ли ремонт катализатора Солярис

Его главное назначение состоит в расщеплении наиболее токсичных из отработанных газов – оксида и диоксида углерода и оксида азота, на кислород и оставшиеся элементы. Главное, но не единственное. Помимо этого катализатор выполняет:

Очистку выхлопа от содержащихся в нем твердых частиц, образующихся в процессе сгорания топлива;
Уменьшение скорости потока и охлаждение отработанных газов;
Гашение вызываемых ими резонансных колебаний.

Справедливости ради следует отметить, что все эти функции каталитический нейтрализатор исполняет не лучшим образом. Зато только он способен очистить выхлоп от наиболее ядовитых его составляющих. И вот за это владельцу автомобиля приходится платить порядка тысячи евро, когда это устройство выходит из строя. К сожалению, ремонт катализатора Солярис невозможен – после того, как тот выработает свой ресурс, вместо него приходится устанавливать новый.

Профессиональная на Hyundai Solaris замена катализатора

Итак, при неисправном каталитическом нейтрализаторе владелец машины оказывается на распутье: какой из вариантов ремонта выхлопной системы своего авто выбрать. И вариантов здесь целых пять:

Установить на машину новый оригинальный агрегат. Самый дорогой и, с точки зрения конструкторов Солярис, самый правильный вариант. Именно его вам и предложат, если вы обратитесь с этой проблемой в фирменный автосервис Хендай. Другие варианты тамошние специалисты вообще не рассматривают;
Установить чуть менее дорогой аналог фирменного устройства. Результат тот же, вот только срок службы нового катализатора, скорее всего, окажется чуть более коротким. А ведь и у фирменного агрегата он невелик и составляет не более двух сотен тысяч километров;
Остановить свой выбор на покупке одного из многочисленных универсальных устройств. Благо, небольшой рабочий объем двигателя этого авто и, соответственно, столь же небольшое количество вырабатываемых им выхлопных газов это позволяет;
Подойти к решению проблемы кардинально, в результате чего на Solaris замена катализатора
будет осуществлена на совершенно иное устройство – резонатор. Или, как его чаще называют, пламегаситель. У такой замены катализатора на Хендай Солярис есть свои плюсы. Но главное отличие этих устройств состоит в том, что пламегаситель не очищает выхлоп от токсичных газов, а потому с ним авто не будет соответствовать современным экологическим нормам Евро;
Решить вопрос еще боле кардинально: взамен вышедшего из строя каталитического нейтрализатора не ставить вообще ничего. Просто вырезать его из выхлопной системы, заполнив освободившуюся часть выхлопного тракта обыкновенной полой стальной трубой. Самый дешевый способ ремонта, но и самый непрактичный. Передвигаться на такой машине вы будете, скорее всего, от одного сотрудника ГИБДД до другого, потому как и слышно машину будет за версту, и струя густого едкого дыма из его выхлопной трубы будет красноречиво говорить о самом немудреном «рестайлинге» ее выхлопного тракта.

С первыми тремя способами ремонта выхлопной системы все понятно: они мало чем отличаются друг от друга. Стоимость услуг мастера одинакова, а сами устройства по цене разнятся незначительно.

Заметки на полях. Высокая стоимость каталитического нейтрализатора обусловлена содержащимися в нем в немалых количествах несколькими редкоземельными и драгоценными металлами. Собственно, из них и состоит так называемый каталитический слой, под воздействием которого осуществляется химическая реакция расщепления оксидов.

Хендай Солярис: замена катализатора на пламегаситель

А вот четвертый способ, в результате которого ремонт катализатора Хендай Солярис будет заключаться в установке на его место резонатора, заслуживает особого внимания. Преимущества, которые дает замена катализатора на Солярисе на этот агрегат, таковы:

Пламегаситель лучше очищает выхлоп от сажи и копоти, поэтому визуально тот будет выглядеть более прозрачным;
Резонансные колебания он тоже гасит лучше, нежели катализатор. Так что звук работающего мотора Солярис станет несколько менее громким. Учитывая далеко не идеальную шумоизоляцию этого авто, такое достоинство не покажется лишним;
Пламегаситель не создает в выхлопном тракте столь высокое давление и двигателю не приходится расходовать часть своей работы на его преодоление. В результате резонатор дает автомобилю ощутимую прибавку мощности – порядка десяти процентов;
И, наконец, пламегаситель дешевле оригинального агрегата Солярис, как минимум, на порядок.

Однако новое устройство доставит владельцу и два неудобства:

Во-первых, его установка в обязательном порядке должна сопровождаться и установкой обманки на второй лямбда-зонд – датчик, с помощью которого ЭБУ (электронный блок управления автомобиля) следит за количеством свободного кислорода в выхлопных газах на стадии их выброса в атмосферу. Если этого не сделать, то ЭБУ, почувствовав, что выхлопная система после ремонта заработала не в штатном режиме, начнет корректировать работу двигателя, что чревато и падением его мощности с одновременным увеличением расхода топлива, и ускоренным износом мотора;
Во-вторых, замена катализатора Hyundai Solaris на пламегаситель, как мы уже говорили, приведет резкому увеличению ядовитых газов в составе его выхлопа. Так что у владельца этого авто могут возникнуть трудности при прохождении ежегодного техосмотра в ГИБДД и, что вполне вероятно, при пересечении границы Евросоюза. К этому нужно быть готовым.

Совет. Чтобы работа выхлопной системы вашего авто не вызвала у инспектора подозрений, используйте только качественный бензин. Например, с октановым числом 98. Он сгорает более полно, и количество отработанных газов с ним будет меньшим. А мотор от его использования ничуть не пострадает.

Качественная замена катализатора на дизеле (замещение пламегасителем) в СПб

Выпускная система дизельных авто включает сажевый фильтр, напоминающий катализатор на автомобилях, потребляющих бензин. Эта деталь выполняется в виде сот из керамики с каталитическим покрытием. Она способствует преобразованию вредных частиц, задерживает сажу, которая загрязняет атмосферу, оседает в легких человека.

Чем ниже качество горючего, тем больше сажи образуется в результате работы мотора. Тогда фильтрующий элемент быстро засоряется, приводя к проблемам с мотором, выхлопной системой. Если катализатор на дизеле неисправен, мы рекомендуем провести его удаление с последующей установкой пламегасителя.

Как функционирует катализатор на дизеле

Сажевый фильтр постоянно работает, а после достижения определенного уровня засорения выполняется рекуперация.

Очистка сажевика проводится следующим образом:

Электроника определяет уровень засорения, передает сигнал ЭБУ.
Блок управления запускает процедуру очистки, предполагающую подачу большего количества топлива, которое догорает уже в коллекторе, в выпускной системе.
Температура выхлопов резко возрастает до 600 – 700 градусов при активной очистке.
Сажевые частички догорают, что исключает их попадание в атмосферу.

Эксплуатационный период катализатора на дизеле составляет 100 000–150 000 км. При дальнейшем использовании транспорта требуется замена, так как сильно сокращается пропускная способность узла, ухудшается качество движения.

Нарушение условий эксплуатации, работы авто, иных систем часто приводит к невозможности рекуперации. Засорение на 60–70% опасно для фильтра, а при достижении 90% без замены не обойтись.

Стоимость нового нейтрализатора для дизеля варьируется в пределах 400–600 евро. Мы готовы произвести удаление сажевика с последующей установкой пламегасителя. Так, сокращается стоимость восстановления, исключаются последующие проблемы с автомобилем.

Замена катализатора на дизеле: предпосылки

Каковы причины преждевременного засорения нейтрализатора?

Засорение катализатора – естественный процесс. Но когда проблемы, заполнение сот, оплавление начинается уже после 50 000–80 000 км, наши мастера советуют изучить причины неполадок.

Неисправности возникают по следующим причинам:

Дизтопливо низкого качества – основная проблема. В Европе используется соляра с цетановым числом 50, примесь серы не превышает 0,002. Снижение показателей влияет на ресурс сажевика.
Прерывание, нарушение процесса регенерации катализатора, когда проводится догорание сажи. Не всегда удается прогнать автомобиль на скорости 80 км в час, чтобы потухла сигнальная лампочка на панели, загорающаяся при засорении.
Превышение допустимого ресурса регенерации. Подразумевается не менее 40 циклов на протяжении 2400 минут. В этом случае ресурс вырабатывается, восстановление невозможно.
Суровые климатические условия, холодные зимы нарушают работу системы.
Постоянная эксплуатация дизельного автомобиля в городских условиях, езда в пробках.

Когда катализатор засорен, ухудшается пропускная способность. Горячие выхлопы начинают разогревать турбину. Также из-за высокого давления выдавливается масло. Оно попадает в коллектор. Происходит ускоренный износ узлов. Мы можем позаботиться об удалении катализатора, что позволит сохранить ресурс других узлов и систем.

Признаки, позволяющие выявить нарушения в работе нейтрализатора на дизеле

Первые проявления неисправности катализатора часто остаются незамеченными. Но электронный блок управления постоянно получает сигналы от датчика противодавления, установленного перед нейтрализатором. Предусмотрен и сенсор, определяющий температуру выхлопов.

Когда показатели превышают норму, на панели активируется Check Engine, что напоминает о необходимости регенерации. Неоднократное нарушение процедур приводит к запуску аварийного режима. Сигнальная лампочка – один из первых признаков для наших мастеров.

Для оценки состояния авто мы изучаем и другие проявления:

Динамика сильно сокращается. Это больше заметно на пониженных оборотах.
Потребление горючего возрастает, возникают проблемы со стартом.
Выхлопы обретают резкий запах из-за недогоревшей серы, появляются сизые выхлопы.
Не исключается перегрев силовой установки, особенно в жаркий период. Это не свойственно дизелям, но случается из-за падения производительности.
Сокращается ресурс мотора, происходят непредвиденные поломки. Так как рабочая жидкость, смешиваясь с горючим, теряет смазывающие, защитные свойства.
Повышение уровня масла из-за попадания дизтоплива приводит к проблемам с турбонаддувом, клапаном EGR.

Для исключения подобных неполадок мы рекомендуем постоянно контролировать состояние катализатора при прохождении ТО. При засорении возможна принудительная рекуперация, активирующаяся при помощи спецоборудования.

При существенном заполнении сот регенерация не дает должных результатов, тогда мы предлагаем удаление с установкой пламегасителя для эффективной и безопасной работы выпускной системы.

ВАЖНО! Удаление нейтрализатора сопровождается коррекцией работы ЭБУ – перепрошивкой со стиранием информации о каталитическом нейтрализаторе. Если не провести программное удаление, электронный блок выявит проблему. Так как должно происходить плавное повышение показателей датчика противодавления. В противном случае система воспримет это как ошибку, активирует аварийный режим, ограничивая динамику, комфорт, мощность авто.

Замена катализатора на пламегаситель на дизеле

Выбор пламегасителя вместо неисправного катализатора – оптимальное решение. Стоимость оригинальной запчасти высока. Аналог, универсальная модель также справляется с задачей, но качество работы зависит от производителя. И замена потребуется вновь.

Пламегаситель отличается длительным эксплуатационным периодом, способен защитить выпускную систему от ускоренного износа, производя обработку выхлопов.

Преимущества установки пламегасителя таковы:

восстанавливается мощность автомобиля, повышаются показатели динамики;
оптимизируется расход рабочей жидкости;
исключается непредвиденный износ турбины;
при грамотной перепрошивке не возникнет ошибок и проблем в эксплуатации;
акустика машины не изменится при выборе качественного узла.

Устройство обеспечивает понижение температуры, шума, давления выхлопов, но не способствует окислению сажевых частиц. Из-за этого снижается уровень экологичности. Это допустимо на территории нашей страны. Но автомобиль нельзя эксплуатировать там, где действуют нормы Евро 4–5–6.

Подбор пламегасителя происходит следующим образом:

Мы измеряем размеры родного нейтрализатора, обращая внимание на длину корпуса, диаметр трубы.
Наши специалисты рекомендуют модели с двумя камерами, что повышает качество работы устройства, снижает шумность.
Мы выбираем модели проверенных производителей, использующих лучшее сырье при изготовлении продукции.
Для дизельных моторов объемом более 2 литров возможно изготовление пламегасителя на основе корпуса катализатора.

ВНИМАНИЕ! Ошибки в процессе замены, могут привести к нарушениям в работе выпускной системы, необходимости последующей перенастройки.

Мы выполняем качественное удаление и замену нейтрализатора, перепрошивку электронного блока, полную проверку системы, что гарантирует исправную работу автомобиля и его узлов. Стоимость восстановления зависит от сложности манипуляций.

Катализатор на ВАЗ 2114: замена своими руками на 8 и 16 клапанной, признаки неисправности

Содержание:

Поломки и их признаки
Замена у 8-клапанного двигателя
Замена на 16-клапанном двигателе
Популярные мифы

Катализатор является агрегатом, который служит для разрушения азотных соединений, негативно воздействующих на атмосферу и окружающую среду. Устройство превращает их в безвредные вещества — азот, воду и оксид углерода.

В зависимости от года выпуска ВАЗ 2114, на них устанавливаются катализаторы, соответствующие требованиям Евро 2 или Евро 3 (2003-2008 и 2008-2013 годы выпуска модели соответственно).

Поломки и их признаки

Обычно данный элемент начинает «чудить», когда проходит около 150 тысяч километров. То есть это скорее возрастная проблема машины.

Стандартный и модифицированный

Катализатор состоит из сот, которые разрушаются со временем и не блокируют выход вредоносных выхлопных газов. Давление в системе выхлопа увеличивается, отработанные газы идут обратно в мотор, что приводит к значительному ухудшению его работоспособности. Двигатель буквально задыхается.

Характерные признаки того, что катализатор забился, это:

Динамика автомобиля существенно и заметно ухудшается;
Запуск двигателя происходит с проблемами;
В салоне наблюдается характерный запах серы;
Двигатель работает нестабильно на холостых оборотах.

Если автомобиль перестает нормально ехать, желательно сразу проверить состояние данного устройства. Увы, в гаражных условиях не всегда это можно сделать, поскольку требуется специальное оборудование, приборы. Но два способа все же имеется.

Установить на место лямбда зонда манометр. Включайте в работу мотор и проверяйте давление. Если оно составляет более 0,5 атмосфер, дела плохи.
Во втором случае вам потребуется дистанционный пирометр. Если катализатор работает нормально, температура трубы до него будет выше, чем после него. Но при одинаковой температуре это говорит о разрушении сот и нарушении функции гашения пламени.

Второй метод позволяет получить косвенные данные, потому давление проверить нужно обязательно в любом случае. Если обнаружена поломка, катализатор подлежит обязательной замене.

Замена устройства имеет свои особенности в зависимости от того, какой мотор установлен на вашем ВАЗ 2114 — восьмиклапанный или шестнадцатиклапанный.

Замена у 8-клапанного двигателя

Если у вас ВАЗ 2114 с 8 клапанным мотором, данный элемент нужно искать перед средним резонатором и после выпускного коллектора непосредственно под днищем автомобиля. Многие, увы, игнорируют необходимость его замены, считая, что их машина не прекратит от этого загрязнять атмосферу, и двигатель сможет нормально дальше работать. Мнение ошибочное, как вы понимаете.

Вариант устройства для восьмиклаппаника

Некоторые считают, что вместо вышедшего из строя фильтрующего устройства, можно установить обычную гофрированную трубу. Тоже неправильное решение. От этого шум станет невероятно высоким, а выхлопные газы очень быстро разрушат глушитель. Можно обойтись бюджетным вариантом замены — вырезать участок катализатора, выбить из него соты из керамики и выполнить сварку, заделав тем самым корпус. Но приготовьтесь к тому, что шум станет вашим постоянным спутником.

Лучше всего заменить заводской катализатор на эффективный пламегаситель. Его собирают своими руками или обращаются за помощью на станции технического обслуживания, а также приобретают готовые решения в магазинах автозапчастей. Какой вариант подходит вам больше, тот и выбирайте.

Снять агрегат и заменить его другим устройством — дело одного часа. При этом из-за электроники переживать не стоит. Датчик кислорода один, причем устанавливается он до катализатора. Следовательно, замена его на пламегаситель никак не повлияет на показания измерений.

Замена на 16-клапанном двигателе

В случае с 16-клапанным силовым агрегатом, катализатор входит в конструкцию с выходным коллектором. Потому ищите его за блоком цилиндров непосредственно в подкапотном пространстве.

Чтобы заменить узел, вам потребуется катализатор нулевого сопротивления. Эту вставку в народе принято называть пауком. Выполнить работу вполне реально в обычных гаражных условиях. Только учтите, для получения доступа к данному элементу вам придется демонтировать топливную рампу.

Нюанс демонтажа с 16-клапанника заключается в наличии двух лямбд.

Первая располагается непосредственно на катализаторе. Она служит для настройки топливной смеси;
Вторая находится на фланце уже после устройства. Ее называют экологической. Если данной лямбды не окажется на месте, датчик сразу выдаст ошибку, впрыск перестанет работать должным образом, увеличится тяга и повысится расход топлива.

Решить этот вопрос можно двумя способами:

Если вы купили паука на один регулятор, электронный блок управления может быть прошит на Евро 2 с текущего Евро 3. Но у такого паука есть серьезный недочет — единственная резьба для лямбды находится на фланце. Чтобы впрысковую лямбду туда монтировать, придется собрать удлинитель из провода и двух разъемов, именуемых мама-папа.
Если это паук на два регулятора, впрысковая лямбда монтируется в штатное гнездо. Резьбу для второго датчика глушат или ставят на ее место обманку для электронного блока управления. Во второй ситуации перепрошивать ЭБУ не нужно.

Замена критических материалов материалами в большом количестве — роль химических наук в поиске альтернатив критическим ресурсам

Замена критических материалов материалами в большом количестве, особенно в приложениях, в которых используются большие количества катализаторов, будет иметь много преимуществ. Материалы в большом количестве дешевле, менее подвержены колебаниям предложения и более безопасны для окружающей среды. Дешевые и распространенные металлы также могут быть менее селективными, менее толерантными к функциональным группам и использовать более дорогие лиганды, чем редкие и дорогие металлы, но исследования постепенно сокращают эти недостатки.

Частным применением, обсуждаемым в этой главе, является использование драгоценных металлов в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Автомобильная промышленность является основным потребителем платины, палладия и родия в каталитических преобразователях, что стимулировало исследования по использованию других типов материалов в качестве катализаторов. Хотя хороших альтернатив использованию этих материалов пока не существует, в настоящее время исследуются перспективные подходы.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗБИРАТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Во многих важных процессах, в которых используется гомогенный катализатор, стоимость металлического компонента катализатора составляет небольшую часть общих расходов.Тем не менее, химики разрабатывают новые схемы реакций, в которых используются гомогенные катализаторы, изготовленные из «дешевых металлов», — сказал Моррис Баллок, научный сотрудник и директор Центра молекулярного электрокатализа Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL). Эти усилия сосредоточены на использовании имеющихся в большом количестве недорогих металлов — в основном металлов первого ряда, но также молибдена и вольфрама — для замены драгоценных металлов.

Даже в тех случаях, когда дорогой металл составляет часть общей стоимости катализатора, создание эффективных катализаторов из недорогих металлов, вероятно, приведет к значительной экономии, сказал Баллок.Платина в пересчете на моль примерно в 4 000 раз дороже никеля и в 10 000 раз дороже железа. Точно так же палладий в 3000 раз дороже меди, а рутений в 2000 раз дороже железа.

Гомогенный катализ на основе палладия, в частности, имеет решающее значение в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности для образования углерод-углеродных связей. Нобелевская премия по химии 2010 г. была присуждена за катализируемые палладием реакции кросс-сочетания, которые можно использовать для образования практически любого типа углерод-углеродной связи.Мощные реакции Баквальда-Хартвига с образованием связи углерод-азот представляют собой еще один класс химикатов, катализируемых палладием, широко используемых в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности (Hartwig, 1998; Wolfe et al. , 1998). В этом последнем наборе реакций, как отметил Баллок, содержание палладия составляет всего 10 частей на миллион (ppm), поэтому затраты на драгоценный металл в этом случае не являются существенным фактором.

Однако можно заменить палладий более дешевыми металлами. Катализатор йодид меди / L-пролин, например, можно использовать для образования связей углерод-углерод и углерод-азот (Ma et al., 2003). Никелевый катализатор можно использовать для образования углерод-углеродных связей с некоторой стереоселективностью, что позволяет собирать довольно сложные органические молекулы (Harath and Montgomery, 2008). Химики также разработали железные катализаторы в реакциях образования углерод-углеродных связей, хотя результаты не всегда такие, как кажутся. В одном случае исследователи обнаружили, что хлорид железа с чистотой 98% по сравнению с материалом с чистотой 99,99% дает более высокий выход желаемого продукта. Дальнейшее исследование показало, что реакция фактически катализируется примесью оксида меди 10 ppm (Buchwald and Bolm, 2009). «Есть много других реакций, которые катализируются железом, но это подчеркивает то, что вам нужно быть осторожным, чтобы убедиться, что вы можете идентифицировать настоящие катализаторы в этих реакциях», — сказал Баллок.

Плюсы и минусы дешевых металлов

В дополнение к большому ценовому преимуществу, которое дает замена преобладающим дешевым металлом на редкий, дорогой металл, дешевые металлы часто более безвредны для окружающей среды. Потери металла легче переносятся в промышленном процессе, который может сократить или исключить этапы рециркуляции, которые почти обязательны для дорогостоящих металлических катализаторов.В фармацевтической промышленности Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов может разрешить или не разрешить наличие следов остаточного катализатора в конечном лекарственном продукте. Как заявил Баллок: «Сколько палладия может быть в организме фармацевта по сравнению с количеством железа?»

Причин, по которым более дешевые металлические катализаторы не используются широко сегодня, много, и Баллок перечислил несколько из них. Одна из причин заключается в том, что реакции, катализируемые дешевыми металлами, до сих пор не изучались широко, хотя сейчас им уделяется больше внимания.Другая причина заключается в том, что селективность дешевых металлических катализаторов не так хороша, как у палладиевых катализаторов, и объем реакций не такой широкий. Повышение активности дешевых металлических катализаторов может означать использование более дорогих лигандов; например, катализаторы на основе арилиодидов более реакционноспособны, но более дороги, чем арилхлориды.

Дешевые металлические катализаторы часто менее устойчивы к функциональным группам реагентов. Реакция, которая работает с присутствующей сложноэфирной составляющей, может не работать, когда присутствует функциональная группа спирта или карбоновой кислоты.Напротив, катализаторы на основе палладия часто работают с широким спектром модифицированных исходных материалов. Кроме того, для дешевых металлов может потребоваться более высокая загрузка катализатора, чем при использовании палладия, что сводит на нет некоторые преимущества в стоимости. Однако Баллок добавил, что это может быть результатом того факта, что катализ дешевыми металлами не изучен так исчерпывающе, как катализ на основе палладия, и что дополнительные исследования, вероятно, позволят продвинуться вперед в решении этой проблемы.

Последняя проблема, с которой сталкиваются дешевые металлические катализаторы, — это мотивация.Для фармацевтической компании, производящей лекарство с высокой добавленной стоимостью в небольших масштабах и для которой стоимость катализатора не является основным фактором в окончательной цене лекарственного средства, часто отсутствует мотивация тратить деньги на исследования для решения относительно небольшой проблемы.

Чтобы проиллюстрировать некоторые проблемы при разработке дешевых металлических катализаторов, Баллок обсудил тот факт, что механизмы реакции могут быть не универсальными, что затрудняет поиск новых катализаторов. Например, важный класс химических реакций гидрогенизирует двойные углерод-кислородные связи. В этих реакциях гидрирования карбонила используются катализаторы на основе рутения и родия для превращения кетонов и альдегидов в спирты. Один из таких рутениевых катализаторов, за который была присуждена Нобелевская премия, не работает через традиционный механизм гидрирования кетонов. Обычно реагирующий кетон сначала координируется с металлом, после чего кислород вставляет себя в связь металл-водород. С этим конкретным рутениевым катализатором координация или введение не требуется. Вместо этого реакция происходит через ион гидрида на рутении и протон связанного с лигандом азота, координированный с рутением.Конечный результат тот же, но механизм полностью отличается от ожидаемого (Noyori et al., 2001).

«В целом я хочу сказать, что если вы пытаетесь разработать новый тип катализатора с другим металлом, он будет выглядеть совсем по-другому», — сказал Баллок. «Вы не хотите заменять платину или палладий железом или медью и пытаться использовать тот же набор лигандов. Лиганды почти наверняка изменятся ». Он объяснил, что идея состоит в том, чтобы не пытаться подражать тому, что драгоценные металлы делают в качестве катализаторов.Вместо этого цель состоит в том, чтобы посмотреть на характеристики реакционной способности дешевых металлов, понять электронику реакций и энергетические состояния, а затем построить катализатор вокруг этих металлов с нуля, используя фундаментальные принципы.

В качестве примера Баллок рассказал о работе, проделанной в его лаборатории, по разработке катализатора на основе молибдена для гидрирования кетонов с целью получения спиртов при низкой температуре и давлении водорода и в мягких условиях (Bullock and Voges, 2000).Эта реакция происходит по другому механизму, который основан на реакционной способности гидридов молибдена и включает в себя доставку протона к атому кислорода в кетоне сначала, оставляя гидрид металла, который затем доставляет гидрид к атому углерода, создавая насыщенный спирт. Фундаментальные исследования кислотности гидридов металлов, а также кинетики и термодинамики поведения гидридов металлов сделали возможной разработку этого катализатора.

Те же фундаментальные исследования были проведены другими исследователями для разработки катализатора на основе железа, который также выполняет гетеролитическое расщепление водорода в качестве ключевого шага в гидрировании двойных связей углерод-кислород (Casey and Guan, 2009).Но не менее важным является тот факт, что катализатор регенерируется в условиях водорода низкого давления. Совсем недавно другая группа создала катализатор на основе железа, который в таких же мягких условиях работает при очень низкой загрузке катализатора 0,05 мол.% (Langer et al., 2011).

Катализаторы на основе железа также можно использовать для гидрирования двойных связей углерод-углерод. Опять же, эта работа была основана на серьезных фундаментальных исследованиях в области химии по созданию окислительно-восстановительных лигандов, которые помогают управлять реакцией.Один из этих катализаторов достигает частоты оборота до 1800 в час при превращении 1-гексена в гексан (Bart et al., 2004).

Применение дешевых металлических катализаторов в больших объемах

Хотя приведенные выше примеры показывают, что можно создать мощные катализаторы для производства специальных химических веществ небольшого объема, используемых в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности, влияние на общий спрос на дорогие и редкие металлы вряд ли будет существенным. Область, где можно было бы оказать реальное влияние, — это производство возобновляемой энергии, которое потребует огромного количества катализатора, как обсуждалось в предыдущей главе.

«Мы надеемся, что в будущем будет намного больше использования солнечной энергии и других видов возобновляемой энергии», — сказал Баллок. «Мы хотим хранить эту энергию в виде химических связей в топливе». Он добавил, что для этого преобразования требуется «разработка электрокатализаторов, которые будут преобразовывать электрическую энергию в химические связи, в основном в форме молекулярного водорода.Затем, когда вам понадобится электричество, вы можете запустить водород в топливном элементе и вернуть себе электричество ».

Исследования в PNNL сосредоточены на разработке катализаторов, которые не требуют платины для окисления водорода, которое высвобождает электроны, и обратной реакции, восстановления протонов, которая накапливает электроны. Эта работа также имеет отношение к более широкой теме восстановления кислорода и азота, которые представляют собой более сложные реакции, учитывая, что восстановление кислорода до воды является четырехэлектронным и четырехпротонным событием, а восстановление азота до аммиака — шестипротонным и шестиэлектронным. мероприятие.

Теоретическая основа этого исследования основана на понимании первой и второй координационных сфер никеля, области, где электронные свойства лигандов, окружающих атом металла, оказывают наибольшее влияние на каталитические свойства металла (Rakowski DuBois and DuBois, 2009 ). В частности, Баллок и его коллеги сосредотачиваются на роли, которую фосфиновые лиганды, несущие боковые амины, играют в протонных реле, когда эти лиганды встроены во вторую координационную сферу вокруг никеля.Исследования в PNNL показали, что перенос протона в металл или от него играет ключевую роль в ускорении внутри- и межмолекулярного переноса протонов и стабилизации связывания водорода с металлом. Эти боковые протонные реле с амином также снижают барьер для гетеролитического расщепления водорода (DuBois and Bullock, 2011) и облегчают связанные протон-электронные переходы, которые важны для восстановления кислорода и азота.

Источником вдохновения для использования боковых аминов для разработки катализаторов гидрирования никеля послужила природа, которая не использует в своих катализаторах редкие и драгоценные металлы. Кристаллографические исследования структуры фермента железо-железосодержащей гидрогеназы показали наличие боковых аминов в координационной сфере, окружающей атомы металла. Но вместо того, чтобы создавать структурную имитацию природного катализатора, команда PNNL разрабатывает функциональные модели, которые воссоздают электронную и энергетическую среду каталитического центра фермента.

Баллок рассказал о нескольких ранних примерах катализаторов, разработанных в результате этих усилий. Как показано на фиг.2, добавление двух боковых аминов к координационной сфере никеля привело к огромным положительным изменениям в активности окисления водорода полученного никелевого катализатора за счет снижения перенапряжения системы, что увеличивает энергоэффективность катализатора.Сделав еще один шаг вперед в этом подходе, команда PNNL снизила гибкость боковых аминов, по существу закрепив их на месте вокруг атома никеля. Это уменьшило энергию активации почти вдвое и увеличило частоту оборота с менее 0,5 до 10 в секунду.

РИСУНОК 4-1

Никелевые катализаторы могут окислять водород. ИСТОЧНИК: Bullock (2011).

Развитие более четкого понимания механизма каталитического окисления водорода сыграло важную роль в получении этих первоначальных результатов и создании намного более совершенных катализаторов окисления водорода никеля.Эти исследования, которые в значительной степени основывались на спектроскопии ядерного магнитного резонанса, показали, что перемещение протонов на боковые амины позволяет избежать прохождения реакции через промежуточный никель (III), что значительно снижает энергетический барьер. Основываясь на этом механистическом понимании, команда PNNL создала катализатор на основе никеля, который производит 50 оборотов в секунду при одной атмосфере водорода (Yang et al., 2010), и еще один, который не был таким хорошим катализатором окисления водорода, но который был способен имитировать природный фермент гидрогеназы и катализировать как окисление, так и восстановление водорода (Kilgore et al. , 2011). Сообщается, что этот катализатор первым осуществляет как прямую, так и обратную реакцию.

Одна проблема, возникшая в этих исследованиях, заключалась в том, что протоны могут захватываться между двумя боковыми аминами одного и того же лиганда, что снижает каталитическую активность. Переключение на лиганд, который имеет два атома фосфора для координации с никелевым ядром, но только один азот, так называемый лиганд P ₂ N ₁, вызвал резкое повышение каталитической активности и привело к оборотам более 100000 в секунду. , которая более чем в 10 раз быстрее, чем гидрогеназа на основе железа, которая послужила вдохновением для этой работы (Helm et al., 2011). Однако этот катализатор по-прежнему имеет высокое перенапряжение, которое необходимо устранить, чтобы повысить его энергоэффективность.

PNNL также использовала принципы рационального проектирования для создания первого катализатора на основе железа для окисления водорода. Скорость оборота для этого катализатора составляет всего около двух в секунду, но это исследование все еще находится в зачаточном состоянии.

Кроме того, работая с командой из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Баллок и его коллеги создали электрохимический катализатор на основе никеля, который окисляет формиат.Это первый зарегистрированный случай гомогенного катализатора окисления формиата, и это первый пример катализатора окисления формиата любого типа, в котором не используются металлы платиновой группы (Galan et al., 2011). Эти исследования продолжаются.

Баллок завершил свое выступление, отметив, что выполнение гомогенного катализа без драгоценных металлов имеет много преимуществ. В частности, железо, никель и другие распространенные металлы намного дешевле и часто более экологически безвредны.Он добавил, что, хотя в этой области проводится все больше исследований, необходимы более фундаментальные исследования для стимулирования усилий по разработке катализаторов. Он заметил, что заметные успехи, достигнутые в этой области в поиске заменителей палладия в органическом синтезе и платины в топливных элементах и в энергетике, стали возможными благодаря фундаментальным исследованиям в области металлоорганической химии.

НОВЫЕ МЕТАЛЛЫ И ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛЫ В АВТОМОБИЛЬНЫХ КАТАЛИЗАТОРАХ

Автомобильная промышленность является основным потребителем катализаторов на основе как драгоценных, так и цветных металлов.В автомобильной промышленности катализаторы используются для уменьшения количества регулируемых загрязняющих веществ в выхлопных газах бензиновых и дизельных транспортных средств. Эти загрязнители включают углеводороды, монооксид углерода, оксиды азота (NO _x) и твердые частицы. Катализаторы превращают эти загрязнители в газообразный азот, диоксид углерода и воду.

«Сердце автомобильной каталитической системы — это каталитический нейтрализатор», — пояснила Кристин Ламберт. Каталитический нейтрализатор представляет собой керамические соты, заключенные в металлический корпус, прикрепленный к выхлопной трубе автомобиля.Внутри керамических сот находится металлический катализатор на носителе, нанесенный на керамический носитель методом промывки, как показано на рис.

РИСУНОК 4-2

Автомобильный каталитический нейтрализатор содержит катализатор на керамической подложке. ИСТОЧНИК: Heck and Farrauto (2001).

В стандартном каталитическом нейтрализаторе автомобилей с бензиновым двигателем используется трехкомпонентный катализатор, разработанный на протяжении многих лет, чтобы быть чрезвычайно долговечным, сказал Ламберт. Текущие версии разработаны с учетом стандартов выбросов на расстояние 120 000 миль.Они работают при температуре от 350 ° C до 650 ° C, нормальном рабочем диапазоне бензинового двигателя, но они долговечны до температуры более 1000 ° C. Катализаторы работают в выхлопных газах, близких к стехиометрическим, что означает, что воздух и топливо, подаваемые в двигатель, находятся в стехиометрическом соотношении, необходимом для сжигания этого топлива, и что избыточного кислорода нет. Время контакта с катализатором составляет от 60 до 300 миллисекунд (Heck and Farrauto, 2001).

По мере того, как контроль за двигателем с годами улучшался, содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах упало в более узкий диапазон концентраций.В результате катализаторы теперь могут обрабатывать все три газообразных загрязнителя одновременно, используя так называемый трехкомпонентный катализатор. Твердые частицы возникают только в дизельных двигателях, и они рассматриваются отдельно.

Сегодняшний трехкомпонентный катализатор представляет собой сложную многокомпонентную систему. Основная часть катализатора состоит из кордиерита, циклосиликата магния, железа и алюминия, который образует керамические соты. γ -Алюминий образует основу носителя, а оксид церия (церий) и оксид циркония (диоксид циркония) являются компонентами, аккумулирующими кислород, чтобы помочь катализатору, когда он находится в высокоэффективном стехиометрическом окне.

Помимо редкоземельного минерала церия, два других редкоземельных минерала, оксид лантана и оксид неодима, поддерживают гамма-форму глинозема и играют важную роль в долговечности. Оксид бария и оксид стронция также служат стабилизаторами и могут накапливать NO _x, если двигатель работает на обедненной смеси, хотя это не является их основной целью. Небольшое количество оксида никеля подавляет образование сероводорода из относительно большого количества серы, которая все еще присутствует в бензине. Наконец, небольшое количество драгоценных металлов — платина, палладий и родий — около 0,5 процента (Gandhi and McCabe, 2004).

Подводя итоги более чем 30-летней истории разработки бензиновых катализаторов, Ламберт объяснил, что ранние фундаментальные исследования были сосредоточены на определении того, какие элементы могут быть хорошими кандидатами для дальнейшей разработки. Золото и серебро были исключены из кандидатов из-за их ограниченной прочности и активности. Рутений, иридий и осмий имели подходящие профили активности, но они образуют летучие оксиды при повышенных температурах, что исключает их использование в качестве автомобильных катализаторов.«На тот момент выбор сводился к платине и палладию», — сказал Ламберт.

Платина и палладий были включены в первые каталитические нейтрализаторы, когда нормативные акты требовали сокращения выбросов углеводородов и оксида углерода. Позже, когда в правила были добавлены стандарты NO _x, в каталитическую смесь был включен родий. С годами были добавлены стабилизаторы, а также оксид церия и диоксид циркония в качестве стабилизаторов кислорода. Когда свинец был удален из бензина, платина была удалена из катализатора, потому что тогда палладий мог заменить всю активность на основе платины.Сегодняшние каталитические нейтрализаторы все еще содержат некоторое количество родия, потому что, как сказал Ламберт, нет приемлемой замены родию, когда речь идет о восстановлении NO _x. Улучшения в физической конструкции катализатора с изменением нагрузки платиновой группы от передней к задней части конвертера снизили количество металла, необходимого в конвертере (JM, 2011).

Спрос и предложение

Рынок автомобильных катализаторов не изолирован, а находится в цепочке поставок, которая обслуживает производителей промышленных катализаторов, производителей ювелирных изделий и производителей электрического оборудования.Цепочка поставок каталитического нейтрализатора начинается с производителей субстратов, которые отправляют свой продукт предприятиям по нанесению покрытия катализатора, которые покупают металлы. Оттуда керамика с покрытием поступает на консервные машины, которые собирают готовый каталитический нейтрализатор и отправляют его автопроизводителю. По словам Ламберта, в настоящее время рынок автомобильных каталитических нейтрализаторов потребляет больше металлов платиновой группы, чем перерабатывает. В отличие от рынка промышленных катализаторов, на автомобильном рынке нет развитой внутренней инфраструктуры рециклинга.

Большая часть мировой платины поступает из Южной Африки, которая поставила более 75 процентов из 6,06 миллионов унций, произведенных в 2010 году. Россия поставила чуть менее 14 процентов от общего объема, а остальная часть поступила из других стран. Общий спрос на платину в 2010 году составил 7,88 миллиона унций, на автомобильные катализаторы — 3,125 миллиона унций, или 40 процентов от общего объема. Переработка смогла компенсировать разницу между спросом и предложением.

Россия — крупнейший поставщик палладия, производящий 3.72 миллиона унций в 2010 году, в то время как Южная Африка произвела 2,575 миллиона унций. Другие страны добавили чуть менее 1 миллиона унций к мировым запасам палладия. Переработка добавила еще 1,845 млн унций, но вместе взятые мировой спрос на палладий — около 9,625 млн унций — превысил предложение почти на полмиллиона унций. На автомобильные катализаторы приходилось 57 процентов спроса на палладий (JM, 2011). Ламберт добавил, что на рынок автомобильных катализаторов приходится большая часть мирового спроса на родий.

Поскольку автомобильная промышленность является основным, если не основным потребителем этих металлов, нестабильность цен на эти металлы оказывает значительное влияние на отрасль. С 1992 года платина, палладий и родий пережили один или несколько скачков цен. В результате производители катализаторов разработали несколько конструкций, в которых используются различные количества этих трех металлов, чтобы уменьшить резкое изменение стоимости.

Неустойчивость цен также способствовала развитию катализаторов на основе менее дорогих металлов, таких как медь. Хотя цены на медь также могут резко возрасти, цены могут вырасти с 1 доллара за фунт до 4 долларов за фунт по сравнению с резким скачком с 1000 долларов за унцию до 12 000 долларов за унцию на родий (Kitco, 2011).

Однако сравнение металлов платиновой группы с другими металлами показывает, что первые трудно превзойти, когда речь идет об активности окисления монооксида углерода и углеводородов, особенно в присутствии серы при температурах ниже 500 ° C (Kummer, 1980). . В начале 1990-х исследователи из Ford протестировали различные комбинации меди и медь-хром в каталитических нейтрализаторах, установленных в реальной выхлопной системе автомобиля.Для конверсии NO _x лучше всего работал катализатор, содержащий 4 мас.% Меди и 2 мас.% Хрома, но только при работе в богатых условиях, что снижает конверсию моноксида углерода и углеводородов и экономию топлива. Это исследование также показало, что медные катализаторы должны быть тесно связаны с двигателем, чтобы избежать отравления серой (Theis and Labarge, 1992).

После более чем 30 лет исследований, заключил Ламберт, до сих пор нет хороших вариантов создания катализаторов для обработки выхлопных газов бензиновых двигателей, в которых не используются металлы платиновой группы.По ее словам, единственным реальным достижением стал переход на палладий-родиевые катализаторы и катализаторы, содержащие только палладий, благодаря исключению свинца из бензина.

Важность дизельного топлива

В процентной доле рынка США на дизельное топливо приходится около 1 процента продаж новых автомобилей и менее 10 процентов продаж легких грузовиков. Для более тяжелых грузовиков, таких как Ford F-250 и Dodge Ram, на дизельные модели приходится почти 90 процентов продаж новых автомобилей. В то время как продажи дизельных автомобилей растут, растут и нормативные требования к выбросам дизельных двигателей.Производители двигателей отреагировали улучшением катализаторов, что привело к значительному снижению выбросов дизельных двигателей с 1990 года.

В середине 1990-х годов системы очистки выхлопных газов дизельных двигателей состояли исключительно из катализаторов окисления. В некоторых катализаторах выхлопных газов дизельных двигателей не использовались металлы платиновой группы, при этом оксид церия и оксид алюминия обеспечивали каталитическую активность, достаточную для окисления твердых частиц, в соответствии с действующими стандартами выбросов. Внедрение дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы в 2007 году открыло новые возможности для систем контроля за выбросами дизельных выхлопных газов.Стандартными стали фильтры твердых частиц, а также каталитические нейтрализаторы с высоким содержанием драгоценных металлов. Эти новые системы работали в обедненных условиях, чтобы контролировать выбросы NO _x, и некоторые производители двигателей добавили ловушки NO _x.

В 2010 году производители двигателей добавили в автомобили дополнительный восстановитель в виде водной мочевины и обратились к медному катализатору для контроля NO _x (). Полная система очистки выхлопных газов теперь включает в себя катализатор окисления дизельного топлива из металлов платиновой группы, резервуар для водного раствора мочевины, который повторно заполняется во время замены масла, систему смешивания, которая впрыскивает мочевину в поток выхлопных газов, камеру селективного каталитического восстановления, в которой находится медь-цеолит. катализатор преобразует NO _x и мочевину в газообразный азот и воду и, наконец, в фильтр твердых частиц.Примерно каждые 500 миль температура в фильтре повышается до 500 ° C, чтобы сжечь захваченные частицы углерода с образованием диоксида углерода.

РИСУНОК 4-3

Системы обработки выхлопных газов дизельных двигателей в США становятся все более сложными для снижения выбросов. ИСТОЧНИК: Ford (2011).

Ламберт отметил, что между бензиновыми и дизельными двигателями существует огромная разница в температуре выхлопных газов. Когда дизельный двигатель достигает полной рабочей температуры, температура выхлопных газов в среднем составляет около 200 ° C, тогда как выхлоп бензиновых двигателей составляет около 500 ° C. «Трудно проводить катализ при 200 ° C в условиях высокой скорости и объема, характерных для выхлопных газов двигателя», — сказала она.

Дополнительным осложнением для выхлопных газов дизельных двигателей является то, что их содержание кислорода значительно возрастает при замедлении двигателя. Во время замедления топливо не поступает в двигатель, поэтому выхлопной поток — это просто воздух с содержанием кислорода около 20 процентов, что затрудняет контроль NO _x в условиях от богатой до бедной. Производители ответили несколькими системами, в том числе системами на основе мочевины с широким температурным диапазоном.Другие подходы к достижению контроля NO _x в обедненных условиях включают систему избирательного восстановления катализатора углеводородов (SCR), в которой используется платина, но не требует регенерирующей системы фильтрации, ловушки для обедненных NO _x, которые используют барий для поглощения NO _x во время в условиях обедненной смеси и недавно разработанная система, в которой используется катализатор на основе этанола в серебре, который наиболее полезен для дизельных двигателей бездорожья.

Системы мочевины и цеолита

Мочевина — нетоксичный химический продукт, производимый производителями удобрений.При нагревании с водой выделяется углекислый газ и аммиак. Он впрыскивается в выхлопную систему перед катализатором в виде водного раствора с концентрацией 32,5 мас.%, Эвтектической смеси с минимально возможной точкой замерзания. В присутствии подходящего катализатора аммиак реагирует с различными оксидами азота в присутствии кислорода с образованием газообразного азота и воды.

Существует ряд катализаторов из неблагородных металлов, подходящих для восстановления NO _x. Цеолиты меди лучше всего работают при низких температурах, тогда как цеолиты железа лучше всего работают при высоких температурах.Катализаторы на основе ванадия, которые являются очень недорогими, также эффективны, но не подходят для дизелей США, оснащенных фильтрами твердых частиц, из-за высоких температур, при которых эти системы фильтров должны работать (Cavataio et al., 2007).

Цеолиты, как объяснил Ламберт, состоят из оксида алюминия и оксидов кремния с кристаллической структурой. Они встречаются в природе, но в большинстве случаев их синтезируют для достижения высокой чистоты, необходимой для промышленных целей. Цеолиты широко используются в качестве смягчителей воды, абсорбентов и осушителей, а также в нефтепереработке.

В Ford, Ламберт и ее коллеги обнаружили, что цеолит, известный как шабазит, который имеет очень маленький средний размер пор, в сочетании с медью является подходящим катализатором выхлопных газов дизельных двигателей (Kwak et al., 2010; McEwen et al., В печати ) в системе SCR. Многочисленные академические исследования показывают, что медь находится внутри клетки цеолитной структуры и что аммиак и NO _x попадают в клетку, где они реагируют в присутствии меди и кислорода с образованием газообразного азота и воды.

При коммерциализации системы SCR, которую Ford теперь использует в своих дизельных двигателях, необходимо было преодолеть ряд проблем. Во-первых, Ламберт и ее коллегам пришлось стабилизировать катализатор окисления на основе платины, который находится перед системой SCR. Они выполнили эту задачу, добавив палладий в каталитическую смесь. После работы с различными соотношениями платины и палладия они обнаружили, что смесь платины и палладия 1: 4 дает наилучшее сочетание окисления углеводородов при температурах холодного пуска и стабильности. Последнее важно, потому что улетучивающаяся платина мешает процессу восстановления NO _x, отравляя медный катализатор в системе СКВ (Cavataio et al., 2009). Ламберт отметил, что для предотвращения загрязнения медного катализатора драгоценными металлами достаточно важно, чтобы два компонента производились в отдельных зданиях. Наличие даже небольшого количества платины на медно-цеолитном катализаторе превращает последний в катализатор окисления аммиака вместо катализатора восстановления NO _x.

Ламберт отметил, что исследователи Ford сначала работали с цеолитом бета-типа в качестве медной основы, но эта комбинация в некоторой степени была отравлена углеводородами. Катализатор можно регенерировать, нагревая его до 500 ° C, но было обнаружено, что обработка при этой температуре приводит к плавлению, разрушающему структуру цеолита. Переход на шабазит решил эту проблему. Она добавила, что небольшой размер пор шабазита не позволяет более крупным молекулам углеводородов достигать активного медного катализатора, предотвращая образование диоксинов в выхлопных газах дизельных двигателей.

Сера может отрицательно повлиять на активность медно-цеолитного катализатора, особенно при температурах ниже 300 ° C. Однако серу можно удалить из катализатора при температурах регенерации фильтра.Фактически, исследования показали, что при установленном в настоящее время уровне содержания серы, допустимом в дизельном топливе — 15 частей на миллион или меньше — медно-шабазитовый катализатор может выдерживать количество серы, абсорбированной между 500-мильными регенерациями, и при этом достаточно снижать уровни NO _x. чтобы соответствовать стандартам выхлопа.

Использование водной фильтрации мочевины возможно, потому что производители и поставщики работали вместе под эгидой Совета США по автомобильным исследованиям, чтобы определить спецификации продукта. Водная мочевина сейчас продается как Diesel Exhaust Fluid ™ (DEF ™) в количествах от галлоновых бутылок до бочек.Стоимость DEF колеблется от 2,79 доллара за галлон оптом до 4,65 доллара за галлон в бутылках. Министерство энергетики создало веб-сайт www.finddef.com, чтобы направлять пользователей в точки розничной продажи DEF.

Использование систем конверсии СКВ на основе мочевины не только оказывает прямое влияние на выбросы NO _x, но данные Агентства по охране окружающей среды предполагают, что оно оказало косвенное влияние на выбросы диоксида углерода. Поскольку системы SCR выполняют основную часть снижения NO _x, дизельные двигатели теперь могут работать с более высокой топливной эффективностью, что снижает выбросы диоксида углерода.При легких и умеренных нагрузках на двигатель двигатели, оборудованные системами управления на основе карбамида NO _x, будут иметь более чем 10-процентное преимущество по сравнению с двигателями, оснащенными другими системами управления NO _x. Системы на основе карбамида в настоящее время используются на большинстве дизелей, проданных с 2010 года.

Подводя итоги воздействия дизельных транспортных средств средней грузоподъемности на использование металлов платиновой группы, Ламберт сказал, что объемы увеличились с 2005 года из-за более строгих стандартов выбросов, но переход в 2010 году от полностью платинового катализатора к катализатору с высоким содержанием палладия снизил использование платины почти до уровней 2007 года.В дизельных двигателях по-прежнему используется больше платины, чем в сопоставимых бензиновых грузовиках средней грузоподъемности, но этот разрыв сокращается.

Заглядывая в будущее, Ламберт отметил, что добавление SCR к другим компонентам катализатора на обедненной смеси NO _x может способствовать дальнейшему развитию и внедрению технологий сжигания обедненной смеси для бензиновых двигателей, которые снижают или устраняют потребность в металле платиновой группы. катализаторы (Xu et al. , 2010). Однако внедрение технологий SCR для использования с бензиновыми двигателями потребует снижения содержания серы в бензине с нынешних 80 ppm до 15 ppm или разработки технологии, которая удаляет серу из потока выхлопных газов перед установкой SCR.

Исследования также направлены на повышение окислительной активности палладия NO _x, чтобы продолжить тенденцию замены платины палладием в качестве стратегии снижения затрат. С этой целью исследователи из General Motors разработали перовскитовый катализатор, не содержащий платины, который по своим характеристикам не уступает катализатору на основе платины в снижении уровней NO _x в условиях обедненного горения (Kim et al., 2010).

ОБСУЖДЕНИЕ

В ответ на вопрос о роли теории в его работе над электрокатализаторами Баллок сказал, что теория и вычислительные модели были очень полезны для понимания того, как работают эти реакции, и повышения уверенности в том, что постулируемые промежуточные соединения в предлагаемых механизмах действительно существуют. .Теория еще не достигла точки, когда она может предсказать, какие молекулы создать с нуля, но теория очень помогла в понимании энергетических потенциалов, промежуточных продуктов реакции и пошаговых механизмов.

Что касается синтетической сложности и стоимости лигандов, используемых с дешевыми металлическими катализаторами, Баллок признал, что это важные проблемы. Однако он добавил, что лиганды, разработанные в PNNL, несмотря на их кажущуюся сложность, легко получить в двухстадийном синтезе из простых исходных материалов.

Он также отметил, что дешевые металлические катализаторы, разработанные до сих пор для органического синтеза, еще не достигли скорости оборота, сопоставимой с катализаторами на основе палладия. Он надеялся, что теперь промышленность вмешается и воспользуется катализаторами, разработанными в академических кругах, и внесет улучшения, необходимые для создания коммерчески жизнеспособных катализаторов на основе дешевых металлов, имеющихся в большом количестве.

Наконец, Баллок указал на важность открытости для необычных и неожиданных результатов. Следует помнить о прошлых примерах таких достижений, чтобы новые и важные результаты не были проигнорированы, поскольку они сильно отличаются от прошлых результатов.

Ламберт спросили о судовом дизельном топливе с высоким содержанием серы, используемом во многих частях мира, и она отметила, что катализаторы на основе ванадия очень устойчивы к сере, но в настоящее время им не хватает необходимой температурной стабильности. Улучшение этой стабильности могло бы стать плодотворным направлением исследований, и на самом деле был разработан ряд катализаторов. Она добавила, что коммерческий спрос на такой катализатор невелик, поскольку в регионах мира, в которых используется дизельное топливо с высоким содержанием серы, нет строгих стандартов по твердым частицам.

Отвечая на вопрос о том, что происходит, когда в транспортном средстве заканчивается мочевина, Ламберт ответил, что транспортные средства предназначены для работы на более низких скоростях, что расстраивает водителей и дает стимул пополнять емкости с мочевиной на транспортных средствах.

Ламберт указал на рост исследований аккумуляторов и электромобилей в Ford и других местах. Но она также сказала, что «двигатель внутреннего сгорания не мертв». Фундаментальные исследования выбросов выхлопных газов еще предстоит провести, несмотря на то, что технологии электромобилей развиваются.

Ученые нашли возможную замену платине в качестве катализатора

Химики из Университета Райса нашли способ встраивать металлические наночастицы в индуцированный лазером графен. Частицы превращают материал в полезный катализатор для топливных элементов и других приложений. Предоставлено: Туристическая группа / Университет Райса.

Химики из Университета Райса, разработавшие уникальную форму графена, нашли способ встраивать металлические наночастицы, которые превращают этот материал в полезный катализатор для топливных элементов и других приложений.

Лазерно-индуцированный графен, созданный лабораторией Райса химика Джеймса Тура в прошлом году, представляет собой гибкую пленку с поверхностью из пористого графена, полученную путем воздействия на обычный пластик, известный как полиимид, коммерческим лазерным скрайбирующим лучом. Теперь исследователи нашли способ улучшить продукт за счет химически активных металлов.

Исследование появится в этом месяце в журнале Американского химического общества ACS Nano .

С этим открытием материал, который исследователи называют «графеном, индуцированным лазером на оксиде металла» (MO-LIG), становится новым кандидатом на замену дорогостоящих металлов, таких как платина, в каталитических топливных элементах, в которых кислород и водород превращаются в воду и электричество.

«В этом процессе замечательно то, что мы можем использовать коммерческие полимеры с добавлением простых недорогих солей металлов», — сказал Тур. «Затем мы подвергаем их воздействию коммерческого лазерного скрайбера, который генерирует металлические наночастицы, внедренные в графен.Большая часть химии выполняется лазером, который генерирует графен на открытом воздухе при комнатной температуре.

«Эти композиты, которые содержат менее 1 процента металла, действуют как« суперкатализаторы »для топливных элементов. Другие методы для этого требуют гораздо большего количества шагов и требуют дорогих металлов и дорогих прекурсоров углерода».

Химики из Университета Райса нашли способ встраивать металлические наночастицы в индуцированный лазером графен. Частицы превращают материал в полезный катализатор для топливных элементов и других приложений.Предоставлено: Туристическая группа / Университет Райса.

Первоначально исследователи создали лазерно-индуцированный графен из имеющихся в продаже полиимидных листов. Позже они наполнили жидкий полиимид бором, чтобы произвести лазерно-индуцированный графен со значительно увеличенной способностью накапливать электрический заряд, что сделало его эффективным суперконденсатором.

Для последней итерации они смешали жидкость и одну из трех концентраций, содержащих соли металлов кобальта, железа или молибдена. После конденсации каждой смеси в пленку они обрабатывали ее инфракрасным лазером, а затем нагревали в газообразном аргоне в течение получаса при 750 градусах Цельсия.

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает графен, индуцированный лазером на оксиде металла с добавкой кобальта, произведенный в Университете Райса. Материал может быть подходящим заменителем платины или других дорогих металлов в качестве катализаторов для топливных элементов. Масштабная линейка равна 10 микронам. Предоставлено: Туристическая группа / Университет Райса.

В результате этого процесса были получены прочные МО-ЛИГ с металлическими частицами размером 10 нанометров, равномерно распределенными по графену. Испытания показали их способность катализировать восстановление кислорода, важную химическую реакцию в топливных элементах.Дальнейшее легирование материала серой позволило выделить водород, еще один каталитический процесс, который превращает воду в водород, сказал Тур.

«Примечательно, что простая обработка оксидов графена-молибдена серой, которая превращала оксиды металлов в сульфиды металлов, дала катализатор реакции выделения водорода, что подчеркивает широкую применимость этого подхода», — сказал он.

Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает наночастицы кобальта, встроенные в графен, индуцированный лазером на оксиде металла, произведенный в Университете Райса.Материал может быть подходящим заменителем платины или других дорогих металлов в качестве катализаторов для топливных элементов. Масштабная линейка равна 100 нанометрам. Предоставлено: Туристическая группа / Университет Райса.

Носимые устройства могут получить поддержку от графена, содержащего бор

Дополнительная информация: САУ Нано , пабы.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b04138 Предоставлено Университет Райса

Ссылка : Ученые нашли возможную замену платине в качестве катализатора (2015, 20 августа) получено 26 сентября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-08-science-platinum-Catalyst.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Дешевая альтернатива платине в изобилии для производства водорода

Эта фотоэлектролизная ячейка в лаборатории Сон Джин, залитая искусственным солнечным светом, расщепляет воду на водород и кислород с помощью катализатора, состоящего из множества элементов — кобальта, фосфора и серы.Изображение: Дэвид Тененбаум / Университет Висконсин-Мэдисон.

Основным препятствием на пути широкого использования водорода в качестве топлива является потребность в платине или других дорогих благородных металлах, которые катализируют расщепление воды на водород и кислород. «В реакции выделения водорода вся игра предлагает недорогие альтернативы платине и другим благородным металлам», — говорит Сон Джин, профессор химии из Университета Висконсин-Мэдисон.

В Nature Materials исследовательская группа Джина теперь сообщает о своей разработке нового катализатора для производства водорода, содержащего фосфор и серу — оба обычных элемента — и кобальт, металл, который в 1000 раз дешевле платины.По словам Джина, этот новый катализатор почти так же эффективен, как платина, и, вероятно, демонстрирует самые высокие каталитические характеристики среди катализаторов из неблагородных металлов, о которых сообщалось до сих пор.

Прогресс явился результатом долгих исследований в лаборатории Джина, сфокусированных на использовании железного пирита (золота дураков) и других недорогих, доступных материалов для преобразования энергии. Джин и его ученики Мигель Кабан-Асеведо и Майкл Стоун придумали новый высокоэффективный катализатор, заменив железо на кобальт для получения пирита кобальта, а затем добавив фосфор.

Этот новый катализатор не только недорогой, но и может работать исключительно от солнечного света. Хотя электричество является обычным источником энергии для расщепления воды на водород и кислород, «есть большой интерес в использовании солнечного света для прямого расщепления воды», — говорит Джин.

«Мы продемонстрировали испытанное устройство для использования этого кобальтового катализатора и солнечной энергии для генерации водорода, которое также имеет лучшую из зарегистрированных показателей эффективности для систем, которые полагаются только на недорогие катализаторы и материалы для прямого преобразования солнечного света в водород. «- объясняет он.«Поскольку этот новый катализатор намного лучше и так близок по характеристикам к платине, мы немедленно попросили WARF (Исследовательский фонд выпускников Висконсина) подать предварительный патент, что они и сделали всего за две недели».

Тем не менее, остается много вопросов о катализаторе, который был протестирован только в лаборатории. «Необходимо учитывать стоимость катализатора по сравнению со всей системой, — говорит Джин. — Всегда есть компромисс: если вы хотите построить лучший электролизер, вы все равно хотите использовать платину.Если вы можете немного пожертвовать производительностью и больше беспокоитесь о стоимости и масштабируемости, вы можете использовать этот новый кобальтовый катализатор ».

Замена платины катализаторами из более дешевых и распространенных материалов — это вопрос не только стоимости, но и практичности. «Если вы хотите решить проблему глобального потепления, вы должны мыслить масштабно», — сообщает Джин. «Неважно, представляем ли мы получение водорода из электричества или непосредственно из солнечного света, нам нужны квадратные мили устройств, чтобы вырабатывать такое количество водорода.И для этого может не хватить платины ».

Этот рассказ адаптирован из материалов Университета Висконсин-Мэдисон с редакционными изменениями, внесенными Materials Today. Взгляды, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Elsevier. Ссылка на первоисточник.

Катализаторы, не содержащие платины, могут удешевить водородные топливные элементы

Исследователи все чаще обращаются к системам водородных топливных элементов в качестве альтернативных источников энергии для транспортных средств и других приложений из-за их короткого времени дозаправки, высокой плотности энергии и отсутствия вредных выбросов или побочных продуктов.

Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) недавно разработали и изучили катализаторы топливных элементов — химические вещества, которые ускоряют важные реакции топливных элементов, — в которых не используется платина. Исследование обеспечивает лучшее понимание механизмов, которые делают эти катализаторы эффективными, и новые идеи могут помочь в производстве еще более эффективных и экономичных катализаторов.

«Мы наблюдали за процессом в реальном времени в атомарном масштабе, чтобы получить представление и разработать более эффективные катализаторы. ”- Дебора Майерс, старший химик и руководитель группы материалов для водородных и топливных элементов в Аргоннском отделении химических наук и инженерии (CSE)
.

Коммерчески доступные водородные топливные элементы основаны на реакции восстановления кислорода (ORR), которая расщепляет молекулы кислорода на ионы кислорода и объединяет их с протонами с образованием воды. Реакция является частью общего процесса топливного элемента, который преобразует водород и кислород в воздухе в воду и электричество. ORR — это относительно медленная реакция, ограничивающая эффективность топливного элемента и требующая большого количества платинового катализатора.

Заглянем внутрь печи, в которой происходил пиролиз для исследования. (Изображение Аргоннской национальной лаборатории.)

«В настоящее время реакции восстановления кислорода способствуют катализаторы из платинового сплава, которые являются самым дорогим компонентом электродов топливных элементов», — сказала Дебора Майерс, старший химик и руководитель группы Hydrogen and Группа материалов для топливных элементов в отделе химических наук и инженерии Аргонна (CSE). «Широко распространенная и устойчивая коммерциализация электромобилей на топливных элементах требует либо резкого снижения количества требуемой платины, либо замены платиновых катализаторов катализаторами, изготовленными из недорогих материалов, содержащих много земли, таких как железо.”

Самый многообещающий катализатор без платины для использования в ORR основан на железе, азоте и угле. Чтобы произвести катализатор, ученые смешивают прекурсоры, содержащие три элемента, и нагревают их от 900 до 1100 градусов Цельсия в процессе, называемом пиролизом.

После пиролиза атомы железа в материале связаны с четырьмя атомами азота и погружены в плоскость графена, слой углерода толщиной в один атом. Каждый из атомов железа составляет активный сайт или сайт, в котором может происходить ORR.Большая плотность активных центров в материале делает электрод более эффективным.

«Механизмы, с помощью которых образуются активные центры во время пиролиза, все еще очень загадочны», — сказал Майерс. «Мы наблюдали за процессом в режиме реального времени в атомарном масштабе, чтобы понять и разработать более эффективные катализаторы».

Майерс и его сотрудники провели in situ рентгеновскую абсорбционную спектроскопию в Группе совместного исследования материалов (MR-CAT) в Аргоннском Advanced Photon Source (APS), U.Служба научного сотрудника Министерства энергетики США, чтобы раскрыть поведение материала в атомном масштабе во время пиролиза. Они направили рентгеновский луч через предшественники железа, азота и углерода и наблюдали, какие элементы химически связаны друг с другом и как.

Ученые обнаружили, что во время пиролиза смеси предшественников железа, азота и углерода сначала образуются азот-графеновые центры, а затем в эти места встраиваются атомы газообразного железа. Они также обнаружили, что они могут обеспечить более высокую плотность активных центров в катализаторе, сначала введя азот в углерод, используя метод, называемый легированием, а затем вводя железо в систему во время пиролиза, в отличие от нагревания всех трех компонентов вместе.

Во время этого процесса ученые помещают легированный азотом углерод в печь, а атомы газообразного железа вставляют себя в вакансии в центре групп из четырех атомов азота, образуя активные центры. Такой подход позволяет избежать кластеризации и захоронения атомов железа в объеме углерода, увеличивая количество активных центров на поверхности графена.

Исследование было частью более крупного проекта, финансируемого Министерством энергетики США по технологиям топливных элементов, под названием «Консорциум электрокатализа» (ElectroCat), направленного конкретно на разработку катализаторов, не содержащих платину для топливных элементов.

ElectroCat возглавляется Аргоннской и Лос-Аламосской национальной лабораторией Министерства энергетики США и включает в себя Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии Министерства энергетики и Национальную лабораторию Окриджа. Это исследование стало результатом сотрудничества ElectroCat и Северо-Восточного университета.

«Наша миссия как одной из основных национальных лабораторий ElectroCat состоит в том, чтобы не только разрабатывать собственные катализаторы в консорциуме, но и поддерживать сотрудничество с университетами и промышленностью», — сказал Майерс.

Выводы этого исследования помогают закрыть пробел в знаниях между исходными прекурсорами и конечной структурой катализатора после пиролиза. Это ключевое открытие дает ученым возможность увеличить плотность активных центров в материале, и группа продолжит разработку более активных и стабильных катализаторов, не содержащих платину, для использования в водородных топливных элементах.

Документ с изложением результатов исследования под названием «Путь эволюции от соединений железа к участкам Fe ₁ (II) -N ₄ через газофазное железо во время пиролиза» был опубликован 27 декабря 2019 года в Журнал Американского химического общества.

ElectroCat поддерживается Управлением технологий топливных элементов Министерства энергетики, энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Более подробную информацию можно найти на сайте ElectroCat.

Дешевый и простой в изготовлении катализатор может заменить платину в топливных элементах

Топливные элементы — это абсолютное чудо техники — электрохимические системы, которые напрямую преобразуют химическую энергию топлива (водород и кислород) в электричество и тепло.Нет сгорания, и, следовательно, топливные элементы не ограничены теми же термодинамическими циклами, что и типичный тепловой двигатель. Таким образом достигается теоретическая эффективность 70%, что является ошеломляющим по сравнению со сжиганием ископаемого топлива. Существуют многочисленные препятствия, которые до сих пор не позволяли водородной экономии за счет топливных элементов процветать. Одна из таких трудностей — дорогое использование платины в качестве катализаторов в топливных элементах.

Исследователи из Института исследований твердого тела им. Макса Планка в Штутгарте сообщают, что они создали новый тип катализатора на основе металлов, присутствующих на Земле (железо и марганец), встроенных в органические молекулы.Исследователи надеются, что катализатор может быть использован вместо платины, дорогого благородного металла.

[ТАКЖЕ ПРОЧИТАЙТЕ] Новые доступные топливные элементы могут спровоцировать революцию в микросетях

Новый катализатор для топливных элементов

Атомы железа и органические молекулы упорядочиваются в узоры на золотой подложке. (c) Nature Comm

Platinum оказалась незаменимой для запуска ключевой реакции восстановления кислорода на анодной стороне топливного элемента. Здесь молекулы кислорода объединяют ионы водорода и электроны, чтобы образовать воду и тепло, в то время как внешняя цепь направляет электроны к двум электродам, управляя электрическим током в процессе.Обычно кислород может объединяться либо с двумя, либо с четырьмя электронами, в зависимости от того, реагирует ли он напрямую с водородом или через промежуточную молекулу перекиси водорода с образованием воды.

Электрохимическое преобразование, которое мы наблюдаем в топливных элементах, далеко не уникальное чудо, созданное руками человека. Этот процесс можно увидеть в природе, в нем задействованы различные биологические сущности, в том числе внутри нас, людей. Когда мы вдыхаем свежий воздух, ферменты, которые в основном являются природными катализаторами, помогают запускать комбинированную реакцию между кислородом и водородом, производя энергию.Исследователи из Max Planck искали вдохновение у подобных ферментов, чтобы воспроизвести их в собственной искусственной системе.

Такие ферменты, восстанавливающие кислород, содержат металлы, такие как железо и марганец, в то время как органические молекулы действуют как своего рода якоря для металлов, крепко удерживая их, чтобы кислород мог легко связываться с ними. Клаус Керн и его сотрудник Дорис Грумелли из Института исследований твердого тела Макса Планка испарили атомы железа и марганца вместе с органическими молекулами в условиях высокого вакуума и нанесли их на золотую подложку.Полученные молекулы автоматически собрались и стали упорядоченными по образцам, которые сильно напоминают функциональные центры ферментов.

Редукция кислорода — ключ

На схеме показано, как атомы железа (синий) и органические молекулы (зеленый, черный) образуют решетку на золотой подложке. (c) Nature Comm

После того, как немного поигрался в растворе, чтобы переместить образцы в жидкость (перенос образцов из высокого вакуума может быть сложным), исследователи в конечном итоге поместили их на поверхность электродов.Оказалось, что каталитическая активность зависит от типа металлического центра, в то время как, с другой стороны, стабильность структуры зависит от типа органических молекул, образующих сетку. Атомы железа привели к двухуровневой реакции через промежуточную молекулу перекиси водорода, в то время как атомы марганца производили прямую реакцию кислорода с водой. Реакции проходили в щелочной среде.

Ученых больше интересует прямая реакция, поскольку она более эффективна, однако реакция с перекисью водорода может быть полезна в других приложениях, а не в топливных элементах, таких как биосенсоры.В любом случае исследователи гордятся тем, что создали нанокатализатор, который прост в изготовлении (осаждение из паровой фазы — широко используемый метод в промышленности) и дешев (легкодоступные металлы и органические вещества).

Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications .

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Ученые разрабатывают более дешевые катализаторы для снижения стоимости топливных элементов

Стремление к разработке более дешевых, но лучших топливных элементов только что набирает обороты.Исследовательская группа, в которую входит ученый из Индийского технологического института (ИИТ) Мадраса, возможно, нашла экономически эффективную замену платиновому катализатору, который необходим для работы топливных элементов, но на который приходится почти пятая их стоимости.

В статье, опубликованной в понедельник в журнале Nature Materials , группа ученых-материаловедов из Индии, Китая и Великобритании заявила, что разработанные ими катализаторы из наночастиц нитрида циркония могут быть превосходной альтернативой платиновым катализаторам для использования в топливные элементы и металл-воздушные батареи.

Помимо Тиджу Томаса из IIT Мадраса, Минхуэй Ян из Нинбо-института технологий материалов в Нинбо в Китае и Джон Пол Аттфилд из Эдинбургского университета являются основными авторами исследования, которое показало, что наночастицы нитрида циркония могут быть весьма привлекательной альтернативой. к платине. «Платина является золотым стандартом в том, что касается катализа топливных элементов», — сказал Томас, доцент кафедры металлургии и материаловедения IIT Madras.

Если то, что они обнаружили в лаборатории, можно будет воплотить в жизнь, в ближайшем будущем на рынке могут появиться более экономичные и эффективные топливные элементы. В конце концов, платина — это труднодоступный металл на Земле, и его цена составляет около 2750 фунтов стерлингов за грамм. С другой стороны, цирконий широко доступен и как минимум в 700 раз дешевле платины. Считается, что на платиновые катализаторы приходится почти 20% стоимости топливных элементов.

«Мы готовы работать с промышленностью для разработки инновационных продуктов на основе наших исследований», — сказал Томас BusinessLine .

Что такое топливный элемент?

Топливный элемент — это устройство, преобразующее химическую энергию, хранящуюся в молекулярных связях химических веществ, в электрическую энергию. В более часто используемых водородных топливных элементах платиновый катализатор используется для разделения атомов водорода на положительно заряженные ионы водорода и электроны. В то время как электроны выходят, производя электричество постоянного тока, положительные ионы водорода объединяются с кислородом, подаваемым через другой электрод, для производства воды, открывая путь для производства одной из самых чистых форм энергии.

«В недалеком будущем мы станем свидетелями радикальной реорганизации энергетического ландшафта — от углеродной к возобновляемой», — сказал Томас.

Топливные элементы и металл-воздушные батареи играют важную роль в этом переходе, и они могут даже стать более обычным явлением через одно-три десятилетия, сказал он. Они могут найти все более широкое применение в автомобильной промышленности и, в частности, в внесетевом производстве электроэнергии. Одним из основных ограничивающих факторов, препятствующих их широкому распространению, является непомерно высокая стоимость платины.

Недорогие материалы, обладающие высокой каталитической активностью и долговечностью, остаются недостижимыми, поэтому промышленное использование в значительной степени ограничивается катализаторами на основе платины для топливных элементов, например, в автомобильной промышленности, заявили ученые.

Исследовательская группа случайно наткнулась на нитрид циркония. Около полутора десятилетий назад, работая в лаборатории Корнельского университета, Томас и Янг осознали обещание, которое нитриды могут предложить в качестве катализаторов, и продолжили работать над ними даже после того, как вернулись в свои страны.Томас, который последние 9 лет был приглашенным гостем Китайской академии наук, тесно сотрудничал с командой Яна. В 2018 году они впервые совершенно случайно обнаружили, что циркониевый катализатор действительно может превосходить платиновый, сказал Томас, чья лаборатория работает с нитридными и оксинитридными катализаторами.

В настоящем исследовании ученые обнаружили, что катализаторы из нитрида циркония могут не только выполнять все функции на основе платины, но и превосходить многие из них.Катализаторы из нитрида циркония, например, имеют лучшую стабильность, чем их платиновые аналоги. Платиновые катализаторы, используемые в топливных элементах, со временем разлагаются.