Что такое катализатор на автомобиле, зачем он нужен и что будет, если его убрать

Автомобиль в системе выхлопа имеет каталитический нейтрализатор, который часто выходит из строя из-за некачественного топлива. Давайте разберемся, что это такое, для чего нужен и что делать в случае засора.

Что такое катализатор

Катализатор предназначен для очистки вредных выхлопов. Он расположен в системе выпуска, в процессе его работы происходят химические реакции: опасные вещества переходят в безопасные формы, после чего выбрасываются вместе с выхлопом. Пройдя этот путь выхлопные газы становятся чище. И как результат, автомобиль наносит меньший вред окружающей среде. 

Схема катализатора

Нейтрализатор работает только после нагрева до 300°C, сразу после запуска двигателя очистка не происходит.

Устройство каталитического нейтрализатора

Основой катализатора являются керамические или металлические соты. В зависимости от модели на стенки сот наносится микрослой из палладия и родия или иридия. Эти металлы обладают высокой химической активностью. Касаясь напыления, часть выхлопа входит с ним в химическую реакцию. Часть элементов, образовавшихся при сгорании топлива, связывается.

Современные катализаторы трехкомпонентные.

• Первый элемент связывает оксиды азота.
• Второй — удаляет часть несгоревших элементов топлива. В большей части удаляется окись углерода.
• Третий элемент — это датчик. Он анализирует газы на выходе из катализатора, данные передаются в бортовой компьютер.

Трехкомпонетные катализаторы

Неисправности катализатора и их причины

Производители пишут, что срок службы нейтрализатора 100–150 тысяч километров. Но на практике проблемы могут возникнуть и при меньшем пробеге, особенно в больших городах, где часто приходится стоять в пробках. 

В зависимости от особенностей эксплуатации, замена каталитического нейтрализатора может производиться раз в 3–7 лет.

Основной причиной неисправности становится выгорание слоя металлов, покрывающих соты. Это естественный процесс, в результате которого качество выхлопа ухудшается. Бортовой компьютер показывает горящий «чек», а в некоторых случаях и вообще не позволяет мотору работать, выключая зажигание.

Ускоряет процесс выгорания и некачественное топливо. Зачастую у бензина увеличивают октановое число путем добавки свинца, это усиливает нагрузку на катализатор, уменьшая срок эксплуатации. В ситуации с дизельным топливом выход из строя может ускорить сам владелец, используя в зимнее время добавки-«антигель».

В некоторых случаях причиной поломки может стать неисправный двигатель. При неправильно выставленном зажигании и проблемах в системе питания (последнее особенно актуально для дизельных двигателей) выгорание каталитического слоя ускоряется.

Соты каталитического нейтрализатора

Диагностика автомобильного катализатора

Определить неисправность можно по нескольким признакам:

• На панели приборов загорелась лампочка “Check Engine”. Она включается при любых ошибках мотора. В нашем случае, как результат нехарактерных показателей датчика, лямбда-зонд. Точно определить, что причина в катализаторе может диагностика сканером.
• Снижение мощности двигателя. При неисправном катализаторе машина начинает троить, дергаться, хуже разгоняется. Причина в снижении пропускной способности каталитического нейтрализатора, связанной с частичным разрушением сот: они запекаются, забивают проход для выхлопных газов. В итоге мотор «задыхается».
• Грохот под днищем. Обычно проявляется на высоких оборотах, изредка сразу после запуска. Причина в частичном разрушении керамической конструкции сот. Отпавшие частицы начинают биться о стенки катализатора под воздействием потока газов и центробежных сил.
• Недостаточно сильный или ровный напор газов из глушителя. При исправном нейтрализаторе, поднеся руку к выхлопной трубе, можно ощутить слабую пульсацию, она возникает вследствие поочередной работы выпускных клапанов. Если поток ровный или ослабленный, вероятно проблема в разрушенных сотах катализатора.

Каталитический нейтрализатор не выходит из строя резко и неожиданно. Обычно перед отказом начинаются мелкие проблемы из списка выше.

Катализатор в разборе

Оригинал или аналог

Оригинальный катализатор — довольно дорогая вещь. Он не производится в нашей стране, все детали в автомагазинах импортные, поэтому на увеличение цены влияют пошлины.

При этом, в случае использования оригинальной детали, автомобиль сохраняет все режимы работы двигателя. Это положительно сказывается на экологии, а также на ресурсе мотора.

Все описанные ниже способы замены катализатора, носят только ознакомительный характер. Не рекомендуется пользоваться данными методами самостоятельно!

Из-за высокой цены автолюбители ищут альтернативу. Вариантов несколько:

• универсальный катализатор;
• пламегаситель.

Под универсальным катализатором подразумевается сразу две группы деталей. Первая — катализатор, подходящий под любой автомобиль. Довольно дорогая вещь, но работает безотказно. Второй вариант — блок с сотами. В этом случае в старый катализатор устанавливают новые соты. Недостатком данного варианта считается сложность с выбором сервиса для ремонта, не везде возьмутся за такую работу. Срок службы универсального нейтрализатора 60–90 тысяч километров.

Съём/Установка катализатора

Более дешевый и распространенный способ — пламегаситель. Он может быть готовым, просто предназначенным для установки вместо катализатора. Другой вариант — установка пламегасителя непосредственно в корпус нейтрализатора. Такой способ несколько сложнее, но позволяет скрыть факт замены детали при продаже автомобиля.

Иногда водители просто выбивают соты из корпуса. Способ дешевый, но может привести к увеличению уровня шума и урону экологии.

Особенности удаления катализатора из выхлопной системы

Ниже рассмотрим, какие нюансы удаления катализатора стоит учитывать. В первую очередь, нужно решить, как будет обходиться лямбда-зонд. После удаления нейтрализатора, датчик будет постоянно выдавать ошибку.

Чтобы обойти датчик, обычно делают обманку. Это проставка, которая отдаляет датчик от выхлопных газов, в результате он фиксирует больше кислорода. Обманку вкручивают на место датчика, и уже в нее устанавливают прибор. Такая система работает стабильно, хоть и имеет большое количество минусов. 

• Любое вмешательство в конструкцию автомобиля приводит к снятию его с гарантии. Подумайте, что будет, если возникнет неисправность двигателя, которая попадает под гарантийный случай.
• Невозможность пройти государственный техосмотр. Бортовой компьютер вы обманули, но вот при проверке на стенде, обман вскроется. В итоге, вы получите запрет на эксплуатацию транспортного средства. Со станции СТО, вы поедете уже на эвакуаторе.

Еще можно сделать перепрошивку ЭБУ. В результате система будет считать, имеющиеся показатели за норму. Для такой работы требуются дополнительные знания, а также программное обеспечение.

Предупреждения на приборной панели

При перепрошивке нарушаются нормальные циклы работы мотора. Он начинает работать в неправильном режиме. Это снижает ресурс силового агрегата примерно в два раза. В результате перепрошивка вместо экономии принесет вам только больше расходов.

Заключение

В случае возникновения проблем с катализатором, необходимо его заменить. Оптимальным решением будет установка оригинального нейтрализатора. Все аналоги и обманки могут привести к ускоренному выходу двигателя из строя, сделают невозможным получение диагностической карты, а также создадут дополнительную нагрузку на экологию.

Что такое катализатор в автомобиле и почему его ставят ближе к мотору

Катализатор – важная деталь любого современного автомобиля. Необходимость его установки продиктована нынешними нормами экологии.

А вы задумывались почему катализатор ставят ближе к мотору? Нет? Тогда рекомендую дочитать до конца.

Что такое катализатор

Катализатор ускоряет распад выхлопных газов. Его работа заключается в преобразовании вредных веществ в безвредные для окружающей среды.

Благодаря этому в атмосферу попадают выделенные из бензина, оксида азота и углекислого газа кислород и вода.

Катализатор способен работать только при высокой температуре. Для этого он должен нагреваться до 450 °C.

Это является его рабочей температурой, которая запускает каталитические процессы. А именно они и происходят в нём, что можно понять из названия этого элемента системы выпуска.

К слову, топливо в катализаторе на дожигается. Наоборот, оно вовсе не должно попадать в него. Его сгорание в исправном автомобиле происходит в цилиндрах.

Почему катализатор ставят ближе к мотору

Теперь нетрудно догадаться, почему катализатор ставят как можно ближе к автомобильному двигателю. Ведь именно здесь выхлопные газы имеют самую высокую температуру. Это обеспечивает быстрый нагрев и правильную работу катализатора.

Кроме того, близость к силовому агрегату обусловлена тем, чтобы быстрее преобразовать вредные газы. Это не позволит им попасть в окружающую среду.

К слову, для быстроты и эффективности этого процесса на некоторых авто стоит не один, а два или даже три катализатора. Но и одного вполне достаточно, чтобы справиться со своей задачей.

Стоит отметить, что при том, что работает катализатор при высокой температуре, излишний перегрев опасен для него. В противном случае соты катализатора могут оплавиться. А тому виной неполное сгорание топлива в силовом агрегате.

Поэтому грозит такая проблема лишь неисправным автомобилям. Внимательное отношение к авто и регулярное обслуживание помогут избежать таких неприятностей и продлить срок службы катализатора.

Зачем удаляют катализатор на автомобиле

Если катализатор удалён или неисправен, в автомобиле не будет происходить эффективной очистки выхлопных газов. В атмосферу будут попадать вредные и опасные выбросы.

Кроме того, нарушится работа различных электронных систем автомобиля. Ведь они запрограммированы с учётом наличия и исправной работы катализатора.

Правда, как считают некоторые специалисты и автолюбители, после удаления катализатора машина будет разгоняться бодрее и быстрее.

Но добиться этого можно и иными способами. Да и не всегда это нужно. А вы уже удалили катализатор?

Что такое катализатор в автомобиле? — виды и принцип действия | Моторное масло — ГСМ

Решение экологических вопросов в последнее время становится все более актуальным. Это связано не столько с усугублением возникающих проблем охраны окружающей среды, сколько с требованиями, которые диктуют специальные организации ЕС.

 

Одним из аспектов деятельности экологических организаций является контроль над токсичностью отработавших газов автомобилей. Эта проблема актуальна не только в Европе, но и в странах СНГ.

Методом минимизации токсичности выхлопных газов является применение на автомобилях устройств, именуемых катализаторами. Они призваны получить выхлопы с определенным содержанием СО, СН, NO, не превышающим установленных ЕС норм.

В настоящее время катализаторы можно подразделить на три вида: керамический катализатор, химический катализатор, магнитно-стрикционный катализатор.

Рассмотрим каждый из них с выделением некоторых характеристик.

 

Керамический катализатор в машине

Керамический катализатор дожигания (ККД) представляет собой керамическую сотовую конструкцию. Соты необходимы для того, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава. В состав данного напыления входят такие дорогие металлы как платина, палладий и радий. Недогоревшие остатки (CO, CH, NO), касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются кислородом, присутствующим в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор, и активизируется реакция окисления. В конечном итоге выхлопные газы имеют необходимую концентрацию СО2. Именно углекислый газ на выходе является следствием наличия катализатора в выхлопной системе.

Большинство иномарок сейчас комплектуются керамическими катализаторами дожигания сразу при сборке. Для завезенных ранее на территорию России бывших в употреблении автомобилей, а также для произведенных на территории СНГ можно приобрести импортные или отечественные ККД. Из поставляемых в страны СНГ катализаторов наиболее распространены устройства фирмы «Bosal».

Однако наличие прибора данного типа при эксплуатации машины в России доставляет автовладельцу много проблем. Это можно объяснить несколькими факторами.

Во-первых, к нам в страну далеко не всегда прибывают только новые иномарки с минимальным пробегом. Срок же службы катализатора при правильной эксплуатации (имеется в виду использование качественных нефтепродуктов) сопоставим с 100-120 тыс. км пробега автомобиля, после чего рекомендуется замена ККД, что вполне естественно. Катализатор имеет фильтрующие свойства, а фильтры, как известно, нужно менять. Дальнейшее использование устройства вполне допустимо, что и делается у нас, однако нужно четко представлять, что в таком случае в выхлопной системе присутствует элемент далеко не со стопроцентной пропускной способностью. К этому сроку на стенках сот уже осела сажа и продукты недогоревшего масла, которые существенно препятствуют выходу выхлопных газов.

Во-вторых, заправляетесь вы на наших российских заправках. Не секрет, что до сих пор качество бензина на некоторых АЗС не вполне удовлетворительное, а ведь одним из основополагающих условий нормальной работы катализатора является качественный бензин. Для керамических сот с напылением некачественное топливо смертельно. Ведь в результате его попадания в устройство, соты оплавляются, залипают, и проходимость выхлопных газов практически прекращается. По сути, происходит то же самое, что и при забивании сот сажей и продуктами недогоревшего масла, только гораздо быстрее. Таким образом, некачественный бензин — основная опасность для катализатора.

Очень обидно бывает за владельцев автомобилей, которые даже не наездили 70-80 тыс. км, а катализаторы в их машинах уже испорчены. Естественно, у человека не возникает никакого желания покупать новые дорогостоящие детали, не имея никакой уверенности в том, что, поставив их и покатавшись непродолжительное время, он не столкнется с необходимостью повторной замены.

К третьей проблеме использования керамического катализатора дожигания по праву нужно отнести отечественные дороги. Как ни крути, а керамические соты — достаточно хрупкий материал, который при сильном ударе может треснуть и расколоться. В результате удара соты отходят от стенок прибора, начинают дребезжать и перемещаться внутри корпуса, из-за чего окончательно рассыпаются, разлетаясь по всей выхлопной системе.

Если в катализаторе накопился бензин, то машина долго не заводится. И когда, наконец, двигатель удалось запустить, внутри происходит мини-взрыв, который приводит к разрушению керамического катализатора дожигания. По этой причине нельзя, чтобы автомобиль «подъедал» масло.

 

 

Что касается неисправностей ККД, то их существует две разновидности. Первая состоит в том, что от времени катализатор «забивается» и у него уменьшается пропускная способность выхлопных газов. Признаком этого является ощущение того, что машина не «тянет», происходит ухудшение динамики разгона и снижение мощности автомобиля, иногда плавает стрелка оборотов на холостом ходу. Вторая — более критичная. Она проявляется в том, что катализатор уже разрушился, и вас беспокоит звук, дребезжание рассыпавшихся керамических сот или гудение «пустой бочки».

Недостатками катализаторов дожигания являются снижение оборотов и мощности двигателя, увеличение расхода топлива на 15 %. Чтобы избежать этого, некоторые автовладельцы «пробивают» блок ККД насквозь, а показания токсичности опять превышают норму.

 

Химический автомобильный катализатор

Второй тип катализаторов — химические, попросту говоря, присадки. Их сейчас существует бесчисленное количество разных марок, и призваны они улучшить некоторые эксплуатационные свойства топлив, масел, увеличить износостойкость узлов и агрегатов автомобилей. Разработанные присадки для улучшения процесса сгорания топлива (анамегаторы топлива) изменяют его химический состав, повышают полноту сгорания, снижают явление детонации и токсичность выхлопов.

Детонационное сгорание проходит две стадии. На первой происходит предпламенное (холоднопламенное) окисление, во время которого в рабочей смеси образуется значительная часть перекисей в процессе впуска в камеру сгорания топлива от соприкосновения с нагретыми деталями. На второй — горячий взрыв (видимое горение). После воспламенения рабочей смеси образование перекисей происходит более интенсивно; они концентрируются в ее несгоревшей части, суммируясь с образовавшимися на первом этапе, и по достижении критической концентрации распадаются со взрывом и выделением большого количества тепла.

Для нормального горения бензина концентрация перекисных соединений не должна превышать определенных показателей. Анамегатор, как и ТЭС, препятствует образованию гидропероксидов. Тетраэтилсвинец работает как антидетонатор только на первой стадии детонационного горения.

Введение этиловой жидкости приводит к повышению токсичности выхлопа, снижению мощности двигателя (повышению расхода топлива), увеличивает нагароотложения и, следовательно, количество абразива в цилиндро-поршневой группе.

Анамегатор ориентирует молекулы углеводорода таким образом, что они гораздо легче входят в реакцию окисления. В результате горение происходит с большей энергоотдачей, повышается мощность двигателя (снижается расход топлива), создаются препятствия нагарообразованию, из камеры сгорания удаляются продукты распада тетраэтилсвинца.

Антидетонационное действие анамегатора и тетраэтилсвинца суммируются. Повышение мощности происходит за счет более полного сгорания углеводородов топлива. Это снижает количество несгоревших продуктов в выхлопных газах, которые являются источником токсичности.

Мощность и расход топлива — две связанные между собой величины. Если вы на своем автомобиле до применения анамегаторов ездили со скоростью, скажем, 70 км/ч, а после применения, почувствовав прибавку мощности, стали ездить быстрее, то экономии вы можете не обнаружить. Сэкономленное топливо, образно говоря, «ушло» на повышение скорости движения, то есть на выполнение дополнительной работы. Но если скорость и другие факторы останутся неизменными, то экономия будет очевидной.

Действие анамегаторов в топливе изменяется в зависимости от их концентрации. Если в бензине необходимо предотвращать образование гидропероксидов для обеспечения детонационной стойкости, то в дизельном топливе их наличие повышает способность к самовоспламенению. Неодинаковая концентрация по-разному ориентирует молекулы углеводородов, придавая им различные свойства. Поэтому очень важно соблюдать рекомендованные пропорции.

Во фракционном составе дизельного топлива углеводороды более тяжелые, чем у бензина. Энергоотдача такого топлива выше. Поскольку анамегаторы высвобождают энергию из изначально заложенного большего количества сконцентрированной энергии, то и отдача их будет выше.

К недостаткам химического катализатора можно отнести, в первую очередь, постоянную необходимость его замены. К тому же при неправильной концентрации анамегатора с топливом может возникать коррозия металла топливного бака и других агрегатов. По той же причине может возрасти расход топлива до 10 %. Наиболее усовершенствованные анамегаторы — Т-4, Т-6.

 

Магнито-стрикционный (МСК) катализатор

Третий тип катализаторов — магнито-стрикционные (МСК), которые в настоящее время являются самыми современными и лежат в основе автотехнологии будущего. Самому этому методу уже около 40 лет. Экспериментальные разработки велись еще в 70-х годах, но не нашли широкого применения из-за несовершенства стабилизации процесса. Суть метода заключается в магнитно-стрикционной обработке молекулы углерода, присутствующей в любом ГСМ. При этом химический состав топлива не изменяется, а меняются только его физические свойства. «Правильно» сориентированная молекула способна свободной парой присоединить большее количество кислорода, что, естественно, отражается на полноте и теплоемкости горения. Сам катализатор представляет собой устройство предварительной обработки топлива. Он устанавливается в топливную систему автомобиля в зависимости от вида топлива. На бензиновые, карбюраторные и инжекторные двигатели МСК устанавливают перед карбюратором (инжектором), просто отсоединив топливный шланг и вставив устройство между ними. На дизельные автомобили, у которых объем цилиндров превышает 1 800 см3, прибор рекомендуется устанавливать перед каждой форсункой плюс еще один перед насосом высокого давления (НВД).

За счет наиболее полного сгорания смеси в двигателе его мощность увеличивается, следствием чего является снижение расхода топлива. Экологические показатели при этом улучшаются в 3-4 раза. Также уменьшаются нагароотложения на рабочих поверхностях двигателя, что приводит к существенному продлению срока его эксплуатации, более бесшумной и бездетонационной работе (что ощущается сразу после установки), повышению пробега между заменой масла.

Установка данных катализаторов занимает от 5 до 20 минут. Предварительно проводится диагностика топливной системы. У карбюраторных двигателей корректируется зажигание, у инжекторных — лямбда-зоны, а у дизельных — винт холостых оборотов.

Магнито-стрикционные автомобильные катализаторы производятся во многих странах: Венгрии, Польше, Китае, Великобритании, России и др.

Катализатор автомобильный — что это такое в машине: где стоит, на что влияет

15.01.2019

Многие узнают о катализаторе, когда он выходит из строя. Ниже мы расскажем, что это за деталь, зачем она нужна и что делать, если она неисправна.

Что представляет собой автомобильный катализатор

Что такое катализатор? Его полное название — каталитический нейтрализатор. Это элемент выхлопной системы, отвечающий за концентрацию вредных веществ в выхлопных газах. Он помогает снизить содержание токсичных компонентов: окиси углерода (CO), углеводородов (CH) и оксидов азота (NO и NO2).

Конструктивные особенности

Катализатор расположен в выхлопной трубе, в промежутке между двигателем и глушителем. Внизу он закрыт защитным экраном, который частично поглощает тепло (в работе эта деталь сильно нагревается).

Катализаторы — это деталь, которая запускается в процессе движения авто, при работе двигателя вхолостую он не работает. Внутри корпуса находится специальная конструкция из металлических или керамических «сот», покрытых тонким слоем благородных металлов – например, платиноиридиевый сплав. Благодаря такой конструктивной особенности увеличивается плотность этого покрытия (каталитического слоя) с вредными газами перед их выходом наружу.

Как благородные металлы помогают бороться с токсичными веществами? Они вступают в химическую реакцию окисления с CO и CH. В результате из глушителя выходят достаточно безобидные для окружающей среды соединения CO2 и N2.

В тандеме с каталитическим нейтрализатором «трудятся» кислородные датчики. Это они определяют точную концентрацию веществ в горючей смеси. После этого элемента выхлопной системы расположен еще один датчик, который уже оценивает концентрацию газов поступающих в окружающую среду.

Такой подход к очистке выхлопных газов эффективный, но не совершенный. Так как наше устройство работает только при высокой температуре, то в процессе нагрева от него мало пользы.

Почему катализатор выходит из строя?

У него есть три основных состояния:

• рабочее: когда авто работает нормально, на информационной панели отсутствуют сигналы об ошибках или неисправностях. Такое решение способно проработать намного меньше, чем оригинальная деталь — в среднем 70 тысяч километров, — но и стоит он меньше;
• полурабочее: авто работает с перебоями – пропадает тяга, долго и с трудом заводится двигатель, пропадают обороты, машина начинает потреблять больше топлива без видимых причин;
• нерабочее: автомобиль долго заводится и почти сразу глохнет, а иногда не заводится вовсе.

Когда многие узнают, как он работает катализатор – становится понятно, что у него достаточно большой рабочий ресурс. Автомобиль может проехать от ста до ста пятидесяти тысяч километров прежде чем его придется заменить. В среднем срок эксплуатации составляет пять-семь лет. За это время сотовая конструкция приходит в негодность и фильтр больше не может выполнять свое основное предназначение.

Но чаще выход из строя случается намного раньше из-за некачественного топлива. Недобросовестные продавцы бензина используют свинцовые добавки, чтобы получить необходимое октановое число. В результате при сгорании топлива температура поднимается выше привычной отметки и наше устройство перегревается сильнее положенного. То есть он просто быстрее выгорает, а «соты» забиваются.

Как поступить, если катализатор сломался?

Выход один — замена. Очень редко продавцу этой детали удается доказать, что она изначально была некачественная. Скорее всего, он укажет на то, что вы использовали бензин низкого качества, а последствия этого официальная гарантия не распространяется.

На замену в сервисном центре вам могут предложить:

• универсальный катализатор, выполненный в виде «бочки»;
• пламегаситель (он же предварительный резонатор), который не фильтрует, но выравнивает выхлопной поток газов и частично снижает громкость звуков.

Большинство автовладельцев, которые знают зачем используется катализатор в машине, при выходе этой детали из строя просто избавляются от него. Одни просто пробивают отверстие в корпусе, а другие полностью удаляют. На самом деле, экономить на установке новой детали не стоит: этим вы наносите огромный вред окружающей среде. Если хотите выиграть в цене, лучше обратите внимание на универсальный прибор, особенно в таких случаях:

• автомобилю менее 5 лет;
• вы самостоятельно проходите ТО;
• вы бережно относитесь к окружающей среде;
• вы планируете выехать на своем авто за границу.

В остальных случаях можно обойтись пламегасителем, но вы должны четко осознавать, какими будут последствия его установки.

Установка и замена

Если в работе транспортного средства возникли проблемы, вы хотите заменить вышедший из строя катализатор, обращайтесь к специалистам сервисного центра «Мастер Глушителей». Запишитесь на ремонт или диагностику в Санкт-Петербурге по телефону, указанному на сайте, и мы обслужим вас с 10:00 до 23:00. Ответственно подходим ко всем видам работ, решаем все вопросы быстро и по доступной цене, имеем большую базу запасных частей для автомобилей разных марок.

Как выходят из строя каталитические нейтрализаторы в автомобилях и почему это важно

Кредит: CC0 Public Domain

В современных автомобилях используются каталитические нейтрализаторы для удаления окиси углерода, углеводородов и других вредных химикатов из выхлопных газов.

Для этого они полагаются на дорогие металлы, обладающие особыми химическими свойствами, эффективность которых со временем снижается.Доцент Маттео Карнелло и докторант Эммет Гудман недавно возглавили команду, которая предложила новый способ снизить стоимость и продлить срок службы этих материалов, решив проблему, которая много лет беспокоила автомобильных инженеров. В процессе Карнелло и его коллеги сделали нечто выдающееся: совершили прорыв в зрелой области, где изменения происходят медленно, если вообще происходят.

Что насчет каталитических нейтрализаторов, которые необходимо улучшить?

Новый каталитический нейтрализатор может стоить 1000 долларов и более, что делает его одной из самых дорогих деталей в любом автомобиле.Они дороги, потому что в них используются дорогие металлы, такие как палладий, для ускорения химических реакций, очищающих выхлоп. Палладий стоит около 50 долларов за грамм — больше, чем золото, — и каждый катализатор содержит его около 5 граммов. Такие металлы, как палладий, являются катализаторами — особым классом материалов, которые ускоряют химические реакции, но не изменяют себя химически. Теоретически катализаторы можно использовать снова и снова, бесконечно. Однако на практике характеристики катализаторов со временем ухудшаются.Чтобы компенсировать это, мы вынуждены заранее использовать больше этих дорогих металлов, что увеличивает стоимость. Наша цель — лучше понять причины этого ухудшения и способы противодействия ему.

Почему катализаторы выходят из строя?

В идеале катализаторы должны быть сконструированы так, чтобы иметь наибольшую возможную площадь поверхности, способствующую наибольшему количеству химических реакций. Поэтому производители обычно разбрасывают множество мелких частиц по поверхности нового каталитического нейтрализатора. Из прошлых исследований мы знаем, что со временем атомы металла начинают двигаться, образуя все более крупные частицы, которые имеют меньшую площадь поверхности и, следовательно, становятся менее эффективными.Мы называем этот процесс комкования «спеканием». Чтобы противодействовать спеканию, производители используют чрезмерное количество металла, чтобы преобразователь соответствовал нормам выбросов в течение 10-15-летнего срока службы автомобиля. Наша команда обнаружила, что спекание — не единственная причина дезактивации. Фактически, этот новый механизм дезактивации оказывается совершенно противоположным спеканию. В некоторых случаях вместо того, чтобы увеличиваться в размерах, частицы распадаются на более мелкие частицы и в конечном итоге становятся отдельными атомами, которые по существу неактивны.Это новое понимание, которое, как мы полагаем, никто не представляло раньше, побудило нас искать совершенно новый способ максимального увеличения срока службы и производительности металлов в каталитических нейтрализаторах.

Что мы можем сделать, чтобы катализаторы прослужили дольше?

Наши исследования показывают, что если мы тщательно контролируем и размер, и расстояние между металлическими частицами, частицы палладия не будут спекаться в большие сгустки и не распадаться на отдельные атомы.Раньше многие люди в каталитическом сообществе думали, что если вы хотите сделать частицы стабильными, вам нужно держать их как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить миграцию частиц. Мы опровергли это понятие, объединив команду, которая изучила деградацию по-новому. Аарон Джонстон-Пек из Национального института стандартов и технологий использовал передовую микроскопию, чтобы визуализировать присутствие отдельных атомов. Саймон Бэр из Национальной ускорительной лаборатории SLAC использовал рентгеновские методы, чтобы доказать, что каталитические материалы начинаются как частицы и заканчиваются как отдельные атомы.Чтобы поместить эти экспериментальные результаты в теоретическую основу, мы работали с Фрэнком Абильдом-Педерсеном из Центра изучения взаимодействия и катализа и SLAC SUNCAT, а также с Филиппом Плессоу из Технологического института Карлсруэ в Германии. У них были вычислительные ресурсы, чтобы помочь нам смоделировать механизм деактивации в атомарном масштабе. В конце концов, мы предоставили научную основу, которая могла бы позволить поддерживать сокращение загрязнения, используя меньше драгоценных металлов и снижая стоимость каталитических нейтрализаторов.Если автомобильные инженеры в конечном итоге подтвердят и осуществят эти выводы, это станет огромной победой для потребителей в долгосрочной перспективе.

---

Исследователи превращают CO в CO2 с помощью одного атома металла

---

Дополнительная информация: Эммет Д.Goodman et al. Дезактивация катализатора через разложение на отдельные атомы и роль загрузки металла, Nature Catalysis (2019). DOI: 10.1038 / s41929-019-0328-1 Предоставлено Стэндфордский Университет

Ссылка : Как каталитические нейтрализаторы в автомобилях выходят из строя и почему это важно (2019, 14 августа) получено 10 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-08-cattic-cars-bad.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.

7 фактов о катализе, которых вы можете не знать

Практически все в вашей повседневной жизни зависит от катализаторов: автомобили, стикеры, стиральный порошок, пиво.Все части вашего сэндвича — хлеб, сыр чеддер, жареная индейка. Катализаторы разрушают бумажную массу, и в вашем журнале получается гладкая бумага. Они очищают ваши контактные линзы каждую ночь. Они превращают молоко в йогурт, а нефть — в пластиковые молочники, компакт-диски и велосипедные шлемы.

Что такое катализ?

Катализаторы ускоряют химическую реакцию, уменьшая количество энергии, необходимое для ее запуска. Катализ — это основа многих промышленных процессов, в которых используются химические реакции для превращения сырья в полезные продукты.Катализаторы являются неотъемлемой частью производства пластмасс и многих других промышленных изделий.

Даже человеческий организм работает на катализаторах. Многие белки в вашем теле на самом деле являются катализаторами, называемыми ферментами, которые делают все: от создания сигналов, которые двигают ваши конечности, до помощи в переваривании пищи. Они действительно важная часть жизни.

Маленькие вещи могут иметь большие результаты.

В большинстве случаев вам нужно совсем небольшое количество катализатора, чтобы изменить ситуацию. Даже размер частицы катализатора может изменить ход реакции.В прошлом году группа из Аргонна, в которую входил ученый-материаловед Ларри Кертисс, обнаружила, что один серебряный катализатор лучше справляется со своей задачей, когда он находится в наночастицах шириной всего в несколько атомов. (Катализатор превращает пропилен в оксиды пропилена, что является первым шагом в производстве антифриза и других продуктов.)

Это может сделать вещи более экологичными.

Промышленные процессы производства пластмассы и других предметов первой необходимости часто приводят к появлению неприятных побочных продуктов, которые могут представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды.Лучшие катализаторы могут помочь решить эту проблему. Например, тот же серебряный катализатор на самом деле производит меньше токсичных побочных продуктов, что делает всю реакцию более экологически чистой.

По сути, катализатор — это способ экономии энергии. А применение катализаторов в больших масштабах могло бы спасти мир лот энергии. Три процента всей энергии, используемой в США каждый год, идет на преобразование этана и пропана в алкены, которые, помимо прочего, используются для производства пластмасс.Это эквивалент более 500 миллионов баррелей бензина.

Катализаторы также являются ключом к открытию биотоплива. Вся биомасса — кукуруза, просо, деревья — содержит твердое соединение, называемое целлюлозой, которое необходимо расщепить для получения топлива. Поиск идеального катализатора для дезинтеграции целлюлозы сделает биотопливо более дешевым и более жизнеспособным в качестве возобновляемого источника энергии.

Вычислительное моделирование открывает перспективы для создания лучших катализаторов и красивых изображений, таких как эта модель платинового катализатора, взаимодействующего с атомами кислорода (красный) и атомами водорода (белый).Изображение Риза Ранкина, Центр наномасштабных материалов.

Часто мы не понимаем, почему они работают.

Точные причины, по которым катализаторы работают, часто остаются загадкой для ученых. Curtiss работает в области вычислительного катализа: использует компьютеры для решения сложного взаимодействия физики, химии и математики, которое объясняет, как работает катализатор.

Разобравшись в процессе, ученые могут попытаться создать катализатор, который работает еще лучше, путем моделирования того, как могут работать различные материалы.Возможные конфигурации новых катализаторов могут составлять тысячи комбинаций, поэтому суперкомпьютеры лучше всего справляются с ними.

Когда Эдисон строил лампочку, он испытал буквально сотни различных нитей (вероятно, испытав терпение своих лаборантов), прежде чем обнаружил карбонизированную нить. Воспользовавшись суперкомпьютерами и современными технологиями, ученые могут ускорить годы испытаний и сократить расходы, чтобы совершить прорыв.

Curtiss проводит моделирование на суперкомпьютере Argonne Blue Gene / P для разработки возможных новых катализаторов.«Поскольку суперкомпьютеры стали быстрее, мы смогли делать то, чего никогда не могли делать 10 лет назад», — сказал он.

Они могут быть необходимы для следующей большой революции в производстве батарей.

Новые эффективные литий-ионные аккумуляторы помогли превратить неуклюжие автомобильные телефоны в тонкие и элегантные сотовые телефоны и ноутбуки, доступные сегодня. Но ученые уже ищут следующую революцию в аккумуляторных батареях — такую, которая когда-нибудь сможет сделать батарею легкой и достаточно мощной, чтобы проехать 500 миль на машине.Перспективной идеей являются литий- воздушные батареи , в которых в качестве основного компонента используется кислород воздуха. Но эта новая батарея потребует полностью изменить внутреннюю химию, и для ее работы потребуется новый мощный катализатор. Литий-воздушная батарея работает, объединяя атомы лития и кислорода, а затем снова и снова разрушая их. Это ситуация, специально созданная для катализатора, и хороший катализатор ускорит реакцию и сделает батарею более эффективной.

Как сделать новый катализатор?

Понимание химии реакций — это первый шаг; затем ученые могут использовать моделирование для разработки потенциальных новых катализаторов и тестирования их в лаборатории.Но этот первый шаг будет трудным, если вы не сможете перейти на атомарный уровень, чтобы увидеть, что происходит во время реакции. Именно здесь блистают крупные научные объекты, такие как усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне.

В APS ученые могут использовать самые яркие рентгеновские лучи в Соединенных Штатах, чтобы отслеживать реакции в реальном времени. В Центре электронной микроскопии лаборатории исследователи фотографируют атомы во время их реакции. Кертисс и его команда использовали оба этих фактора в поисках лучших катализаторов.

Что такое катализатор?

Катализатор можно определить как вещество, которое увеличивает скорость химической реакции. Катализатор может быть синтетическим, органическим или просто металлическим. Процесс, посредством которого конкретный катализатор увеличивает скорость конкретной реакции, называется катализом.

Концепция катализа
На самом деле, для возникновения любого процесса всегда требуется энергия, которая называется энергией активации. Для реагентов каждой реакции необходимо достичь этой энергии активации, чтобы превратиться в конечные продукты.Этот энергетический барьер реакции называется энергетическим барьером активации. Для одних только реагентов достижение этого барьера очень утомительно. Но когда катализатор присутствует в конкретной реакции, он снижает энергетический барьер активации. Итак, реакция происходит быстрее, чем раньше.
Катализатор ускоряет реакцию, изменяя специфические структуры молекул реагентов; это изменение заставляет молекулы реагента сталкиваться друг с другом с выделением энергии или продукта. Например, в нормальных условиях водород и кислород не взаимодействуют друг с другом, но в присутствии определенного катализатора они реагируют друг с другом с образованием воды.

Важность катализаторов
На основании вышеизложенных фактов можно предположить, что без помощи катализаторов химические реакции никогда не могут происходить или они могут длиться несколько лет. Во время каталитической химической реакции катализаторы не претерпевают значительных изменений в своей структуре и составе. Катализаторы не могут изменить характер конечного продукта. Обычно катализатор можно легко извлечь после реакции и повторно использовать для других реакций.

Отрицательные катализаторы
Есть также некоторые отрицательные катализаторы, которые снижают скорость протекающей реакции. Эти отрицательные катализаторы мешают нормальному функционированию обычных катализаторов конкретной реакции. Отрицательные катализаторы также можно назвать ингибиторами. Эти отрицательные катализаторы находят широкое применение в медицине. Они помогают замедлить различные вредные биохимические реакции.

Ферменты против катализаторов
Ферменты не следует путать с катализаторами.Ферменты также являются классом катализаторов, но они катализируют только биохимические реакции, поэтому их также называют биохимическими ферментами. На самом деле ферменты — это белковые молекулы, которые присутствуют в живых системах, но они не теряют своей способности катализировать, когда извлекаются из живых систем. Благодаря этой исключительной особенности они находят широкое применение в ферментационной промышленности. Ферменты гораздо более специфичны, чем катализаторы, и для правильной работы они зависят от строго оптимальных условий.

Важность ферментов
В живых системах ферменты играют решающую роль.Без ферментов жизнь невозможна. Например, в человеческой слюне присутствует фермент (амилаза). Этот фермент участвует в переваривании пищи, без его присутствия процесс переваривания одной пищи займет миллиарды лет. Катализаторы
также очень важны в обрабатывающей промышленности и в лаборатории. Один очень важный тип катализатора — это «каталитический нейтрализатор»; Этот катализатор участвует в предотвращении автомобильных выбросов, тем самым снижая расход топлива.Фактически, различные удобрения также являются катализаторами, ускоряющими рост растения.