Что содержится в катализаторе: Сколько драгметаллов в одном автомобильном катализаторе?

20.12.2019

Содержание

как заработать на старом катализаторе

В современном автомобиле кроется немало интересного. Оказывается, в нем есть даже благородные металлы – и на этом факте может неплохо заработать сам автовладелец.

Не все знают, что так называемый катализатор выхлопной системы – а точнее каталитический нейтрализатор отработавших газов – содержит в себе драгоценные металлы платиновой группы. В первую очередь это собственно платина, а также благородные металлы палладий и родий.

В корпусе катализатора скрывается пористая керамическая или металлическая начинка, на которую и напылен тот или иной благородный металл.

Поэтому после выхода автомобильного катализатора из строя – а это обычно случается после 150 – 200 тыс км пробега – его можно не выбрасывать на помойку, а сдавать в специальные перерабатывающие предприятия. Которые умеют извлекать благородный металл для передачи его на переработку для повторного использования.

Читайте также: Расходы на электромобиль и бензиновый: какой выгоднее

Главный нюанс этой процедуры в том, что платина или металлы-платиноиды находятся в катализаторе в виде тончайшего слоя, напыленного на пористые керамические соты. Собственно, устройство нейтрализатора так и задумано – чтобы поверхность контакта выхлопных газов с металлом-катализатором была как можно обширнее. Поэтому собрать распыленную платину с 20 тысяч квадратных метров внутренней поверхности сот не так уж и просто. Для этого приходится «ополаскивать» керамику кислотами, нагревать, гальванизировать, дробить… Но это, собственно говоря, проблемы не автомобилиста, а других людей.

Оптовые партии катализаторов переработчики берут по более высокой, договорной цене.

Для нас куда интереснее вопрос – как определяется цена, по которой принимается катализатор, который отработал свое? Чтобы определить количество платиноидов, используется РФ-спектрометр, он же – рентгенофлуоресцентный анализатор. Но прежде всего нужно распилить корпус, вытащить керамический наполнитель и измельчить его. Затем, соотнеся данные спектрометра и массу перемолотой начинки, приемщик определяет цену.

Средняя цена катализатора, который отработал свое, от 500 до нескольких тысяч гривен, и получить их можно, что называется, не сходя с места – просто сдав ненужную запчасть в пункте приема. Интересно, что приемщики при оценке учитывают текущие котировки драгоценных металлов на мировых биржах – во всяком случае, так они заявляют. А цифра эта относительно платины может испытывать значительные колебания, например: в зависимости от ситуации одна унция этого металла в различные периоды может стоить и несколько сот долларов, и полторы тысячи долларов.

Содержание драгоценных металлов в катализаторе определяют с помощью спектрометра. Он, кстати, умеет отличать металлы-заменители платины.

Для понимания: содержание чистой платины или других платиноидов составляет десятые и сотые доли процента от общей массы начинки катализатора.

Что ценного в катализаторе автомобиля | Скупка катализаторов

Для многих автолюбителей остается сюрпризом та информация, что автомобильные катализаторы содержат в своей структуре драгоценные металлы. Но вот в чем вопрос: на сколько реально получить из катализатора металл самому в домашних условиях и сколько можно на этом заработать?

Расскажу все по порядку. Катализатор это часть выхлопной системы автомобиля. Катализатор помогает отчищать выхлопные газы от работы двигателя, таковы требования экологов. Катализатор участвует в химическом процессе, когда наибольшее количество газов нейтрализуются. Во многом поэтому катализатор похож на соты.

Катализаторы бывают металлическими и керамическими, но объединяет их одно — наличие драгоценных металлов: родий, платина и палладий. Эти металлы обладают супер высокой стоимостью. Даже дороже серебра и золота.

Как самому извлечь драгметаллы из катализатора

Первая мысль — «Прикольно! У меня есть катализатор, сейчас я его сломаю и получу чистые металлы». Все не так просто. Извлечь металлы возможно обладая определёнными знаниями химии. Вам понадобятся сильные окисляющие жидкости, но даже растворив соты вероятнее всего столкнётесь с окисью алюминия, которая предотвратит полное растворение. Все металлы извлечь не получится.

Палладий можно добыть при нагреве металла до 500 градусов и одновременное его фторирование. В результате проведения такого процесса получается фтористый палладий, при охлаждении до температуры около 100 градусов его расщепляют с использованием минеральной кислоты.

Но все кустарные способы добыть платину, и палладий обойдутся дороже и не окупят вложенных сил и денег.

Да и самостоятельный аффинаж драгоценных металлов в России преследуется по закону.

Автомобильный катализатор

Как превратить катализатор в деньги?

Самым простым и легальным способом извлечь драгоценные металлы из катализатора — сдать катализатор в скупку. У предприятий уже есть все необходимое оборудование для анализа и извлечения драгоценных металлов их б/у катализаторов. В конечном итоге вы получите больше денег!

Так что если у вас появились автомобильные б/у катализаторы, то смело сдавайте их в скупку. Это абсолютно легальный и честный заработок. Мало того — это большой вклад в экологию, без шуток.

Выбирайте с умом куда сдавать материал! Я лишь могу говорить о своем опыте. Знаю точно, что сдавать катализатор необходимо в хорошую скупку с максимальными ценами от переработчика. Я сам лично сдаю в скупку Катутиль.

Вот их контакты:
Телефон: +7 (499) 490-71-49
Сайт: http://katutil.ru

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.

Сколько грамм палладия в катализаторе?

Сколько грамм палладия в автомобильном катализаторе? Точный ответ на этот вопрос дать невозможно: его количество зависит от типа и веса каталитического нейтрализатора. Обычно количество вещества варьируется от 0,005% до 3,5% массы вторсырья. Стоит отметить, что в некоторых видах катализаторов палладия нет совсем, но в них встречаются другие драгоценные металлы – например, платина или родий.

Если вы хотите вернуть до 80% стоимости драгметаллов, содержащихся в катализаторах, их можно сдать в компанию «Переработка и Управление ДМ». Специалисты с помощью современного оборудования оценят, сколько палладия в катализаторе, предложат вам справедливую цену, подготовят договор купли-продажи, счет-фактуру и другие необходимые документы.

Можно ли извлечь палладий самостоятельно?

Интернет пестрит статьями о том, как извлечь драгоценные металлы из вторсырья самостоятельно и с минимумом вспомогательных средств, буквально в гараже. Стоит ли этим заниматься? Ответ однозначный – нет, и на это есть ряд причин:

это уголовно наказуемо: и за само извлечение, и за незаконный сбыт таких металлов «умельцу» грозит уголовная ответственность;
это опасно. В процессе аффинажа драгоценных металлов используются агрессивные химические вещества – кислоты и хлор. Неумелое обращение с ними может привести не просто к тяжелым последствиям для здоровья, но и к летальному исходу не только для самого “умельца” но и для окружающих;
такое кустарное производство опасно также для экологии: использованные вещества, загрязненную воду и материалы необходимо очищать и утилизировать правильно;
подобрать правильную рецептуру, не зная точного содержания и количества веществ во вторсырье, вида и количества добавок, способов их нанесения и распределения и других факторов крайне сложно. Соответственно, скорее всего, в результате ничего полезного добыть не удастся.

Таким образом, мало того, что самостоятельное извлечение технически сложно, опасно для здоровья, экологии и незаконно, оно часто бывает попросту напрасным.

Как законно получить деньги за отработанный катализатор?

Если вы хотите избавиться от автомобильного катализатора, вернуть до 80% стоимости драгоценных металлов, которые в нем содержатся и позаботиться об экологии, обращайтесь к нам. Наша компания организовывает сбор и первичную обработку каталитических нейтрализаторов для последующей отправки на российские и европейские аффинажные заводы. На таких специализированных предприятиях применяются проверенные технологии, позволяющие безопасно извлечь драгоценные металлы и вернуть их в промышленный оборот. Звоните!

Автомобильные катализаторы стали мишенью криминала

Полиция калифорнийского городка Элк-Гроув обезвредила банду преступников, занимавшихся воровством автомобильных каталитических нейтрализаторов. У них изъяли около 2000 украденных катализаторов (как называют эти детали в просторечии) и около $300 000. Хищение автомобильных катализаторов в последние пару лет превратилось в большой криминальный бизнес, охвативший практически все развитые страны. Преступники подъезжают к припаркованной машине, приподнимают ее домкратом, аккумуляторной сабельной пилой срезают катализатор и уезжают. Вся операция занимает не более 1,5 мин.

Причина криминального интереса к этим деталям – палладий, который используется в каталитических нейтрализаторах и сейчас котируется на мировых биржах дороже золота и платины. В корпусе катализатора размещается множество металлических или керамических сот, покрытых очень тонким слоем этого металла. Контактируя с палладием, вредные для человека компоненты выхлопных газов – углеводороды, окись азота, угарный газ и т. д. – превращаются в сравнительно безопасный углекислый газ и водяной пар.

До недавнего времени палладий стабильно котировался на биржах дешевле платины (не говоря уже о золоте). Дело в том, что платина используется в катализаторах автомобилей с дизелем, а палладий – в машинах с бензиновым двигателем. С конца ХХ в. в Европе спрос стабильно смещался с бензиновых автомобилей на дизельные и платиновые автокатализаторы становились востребованнее палладиевых, что отражалось на цене обоих металлов.

Растущая популярность дизельных двигателей была связана в основном со всеобщей убежденностью, что они экологичнее бензиновых. Европейские правительства всячески стимулировали переход автолюбителей на дизель: продажа топлива субсидировалась правительством, налоги на регистрацию дизельных автомобилей были ниже и т. д. Однако все изменилось после того, как в 2015 г. в Европе разразился так называемый дизельгейт: выяснилось, что Volkswagen в десятки раз занижал количество вредных веществ в выхлопных газах. Так что все рассказы автопроизводителей о повышенной экологичности дизельных двигателей оказались враньем.

Правительства немедленно начали сворачивать программы поддержки дизелей, а автолюбители – массово переходить на бензиновые двигатели. В 2018 г. в Германии впервые с 1999 г. бензиновых автомобилей продали больше, чем дизельных, и с тех пор этот разрыв растет. Соответственно, резко повысился спрос на палладиевые автокатализаторы, к чему производители металла оказались не готовы. В результате на рынке образовался дефицит палладия, цена на него начала быстро расти и в начале прошлого года этот металл оказался сначала дороже платины, а чуть позже и золота. Сейчас тройская унция палладия стоит примерно на $100 дороже унции золота – $2057 против $1950.

Общая масса палладия в одном катализаторе составляет около 5 г, т. е. из каждой украденной детали бандиты могут извлечь драгоценного металла примерно на $330. Не удивительно, что количество хищений каталитических нейтрализаторов растет лавинообразно, и если поначалу преступники действовали в основном по ночам, то в последнее время в соцсетях появляется все больше роликов, на которых злоумышленники срезают катализаторы средь бела дня.

Как извлечь из катализатора драгоценные металлы

На протяжении последних 10 лет каталитические нейтрализаторы устанавливают на каждый выпускаемый автомобиль. Данные устройства отвечают за одну важную задачу – очистка отработанных газов и приведение их в соответствие требованиям экологических стандартов (в разных странах установлены различные нормативы). При воздействии специальных элементов токсичные вещества в автомобильных выхлопах преобразуются в совершенно безвредные компоненты (азот, вода, углекислый газ).

Это обеспечивается за счет догорания углеводородов, окиси углерода и окислов азота при воздействии высоких температур с участием кислорода. В этом процессе также участвуют каталитические вещества, которые представлены напылением драгоценных металлов (платины, палладия, родия). Благодаря таким химическим реакциям из выхлопной трубы автомобиля выходят абсолютно безвредные вещества, которые не загрязняют атмосферу и не оказывают негативных воздействий на организм человека.

Ценность внутренней «начинки» нейтрализаторов

Каталитические конвертеры, представленные на сайте autocatalystmarket.com/ru/ru, устанавливаются в выхлопную систему и размещаются под днищем автомобиля. Они представлены в виде металлического кожуха и термоизолированного блока с мелкими керамическими сотами. На поверхность этих ячеек тонким слоем наносятся драгоценные металлы. При высоких температурах от +300 °С и соблюдении пропорции топлива/кислорода ускоряется проведение окислительно-восстановительных реакций.

Внутренняя ячеистая структура имеет общую площадь в десятки тысяч м2, при этом драгметаллы составляют от 0.05 до 0.8 % от массы самого устройства. Хотя вес сравнительно невелик, из-за высокой стоимости платины, палладия и родия неисправные катализаторы лучше не выбрасывать, а сдавать на разборку. Это позволит немного сэкономить на покупке нового нейтрализатора.

Как правило, ценность «начинки» автомобильных катализаторов зависит от ряда важных факторов:

машины возрастом более 12-15 лет оснащаются нейтрализаторами, которые соответствуют менее жестким экологическим стандартам, поэтому содержат намного меньше драгоценных металлов;

современные модели автомобилей оснащаются каталитическими конвертерами, которые должны отвечать требованиям стандартов Евро5 и Евро6, поэтому сотовая решетка в них имеет больше напыления драгметаллов;

автопроизводители стараются улучшать качество моторов, поэтому новые силовые агрегаты требуют менее производительных очистных деталей, соответственно в нейтрализаторах используется меньше платины и палладия;

катализаторы с трехкамерной конструкцией наиболее выгодны с точки зрения извлечения драгметаллов;

конвертеры в машинах Jeep, Hummer, Mersedes, Lexus и Land Rover более дорогостоящие, чем устройства в авто отечественного производства.

Особенности извлечения катализаторов

Чтобы получить ценное сырье, соты нейтрализаторов обрабатывают механическим и химическим способом. Их измельчают и подвергают электролизу (или воздействиям активных средств). Для высвобождения родия и платины применяется процесс выщелачивания (на соты многократно воздействуют окисляющими смесями и промывками). Также может применяться пирометаллургическая методика (сотовую решетку дробят, нагревают до высокой температуры и периодически сливают примеси, получая гранулы драгметаллов). Для получения палладия используется гальванический метод и фторирование с расщеплением минеральными кислотами.

Как видите, процесс извлечения дорогостоящего сырья является довольно сложным, и выполнить его самостоятельно практически невозможно. Поэтому неисправные и изношенные нейтрализаторы лучше сдать в специализированные компании, которые занимаются их скупкой и обработкой.

Металлы в катализаторах риформинга — Справочник химика 21

Пример. В катализаторе риформинга содержится 0,60% платины. Количество адсорбировавшегося водорода в расчете на 1 г металла оказалось равным 75,0 мл. Определить дисперсность платины. [c.88]

Элементарные стадии ряда приведенных реакций определяются бифункциональным характером катализаторов риформинга. С одной стороны, они содержат один или несколько металлов (платина, рений, иридий и др.), которые катализируют реакции гидрирования и деалкилирования. С другой [c.2]

И, наконец, последнее поколение катализаторов риформинга отличается тем, что наряду с платиной, они содержат один или несколько других металлов. Для таких катализаторов характерна более высокая стабильность в реакционном периоде, что, в конечном счёте, обеспечивает возможность получения более высоких выходов высокооктановых компонентов бензина. [c.3]

Неизменными компонентами катализаторов риформинга являются платина, носитель (оксид алюминия) и галоген в качестве кислотного промотора. В полиметаллические катализаторы вводят дополнительно некоторые / ругие металлы, которые выполняют роль модификаторов (промоторов). [c.126]

Поскольку основной причиной дезактивации катализаторов риформинга является их закоксовывание, повышение стабильности при введении модифицирующих металлов связано с их воздействием на процесс коксоотложения. Характер воздействия, его механизм, очевидно, зависят от природы применяемых металлов. Два типа металлов, используемых в качестве модифицирующих добавок, значительно различаются по свойствам. [c.153]

Предварительная обработка нафты — сырья каталитического риформинга для удаления серы, азота и металлов, которые могут отравить катализаторы риформинга, содержащие благородные металлы. [c.80]

В течение многих лет катализаторы риформинга совершенствовались вместе с самим процессом. Наиболее широко применяемые сегодня катализаторы риформинга представляют собой один или несколько драгоценных металлов, нанесенных на оксид алюминия. Оксид алюминия в качестве носителя, используется в одной из двух кристаллических форм т) или у. г]-Форма содержит больше кислотных центров, чем -у-форма, и служит носителем для большинства монометаллических платиновых катализаторов. Она имеет более развитую начальную поверхность. При катализе и регенерациях илощадь поверхности этого носителя снижается. Уменьшение площади поверхности ограничивает срок службы катализаторов лишь несколькими циклами. [c.148]

Когда регенерация катализатора риформинга уже не может восстановить активность, его заменяют. Отработанный катализатор передают на металлургические предприятия для извлечения платины и других содержащихся в нем металлов, особенно рения. Извлеченные драгоценные металлы обычно возвращают производителю катализатора для введения в новую партию свежего катализатора риформинга. [c.156]

Элементы технологии, связанные с применением бифункциональных платиновых катализаторов. Как об этом сказано выше, гидроочистка — важнейшая стадия подготовки сырья для риформинга. При этом удаляют каталитические яды — металлы (свинец, медь, мышьяк и др.), серу и азотсодержащие соединения, вызывающие отравление платиновых катализаторов. Гидроочищенное сырье подвергают почти исчерпывающему обезвоживанию, чтобы предотвратить отщепление хлора от промотированного последним катализатора риформинга. [c.122]

Большинство металлов — яды для катализаторов риформинга, они отравляют катализатор, накапливаясь на его поверхности. Тщательная предварительная гидроочистка позволяет удалить из сырья значительную часть примесей, которые могут вызвать отравление катализаторов риформинга. [c.165]

Так как количество тепла, которое необходимо подвести для реакции, относительно велико, то катализаторы риформинга (такие, как катализаторы 57-1 или 46-1) загружают в параллельные трубы, которые обогреваются извне в первичном риформере (в трубчатой печи). Температура газа на выходе из труб обычно находится в интервале 750—850° С, в зависимости от требуемого состава газа. Чтобы получить газ, подходящий по составу для синтеза аммиака, должна быть достигнута очень низкая остаточная концентрация метана, что вынуждает работать при более высоких температурах — около 1000° С. Из-за ограниченной прочности металла (особенно при давлениях, которые могут превышать 30 ат) применение этой температуры в трубах первичного риформинга затруднительно, но она может быть практически осуществима во вторичном риформере (шахтном реакторе с огнеупорной футеровкой). Тепло, необходимое для риформинга, получается за счет добавления воздуха, с которым к тому же вводится азот, требующийся для синтеза аммиака. Катализатор [c.83]

Таким образом, никель является наиболее общепризнанным элементом, присутствующим в промышленном катализаторе обычно в виде окиси никеля, восстанавливаемой в реакторе до металла непосредственно перед работой. Применение в процессе риформинга никеля, нанесенного на различные материалы, было объектом многих исследований [43—46]. Как и для всех катализаторов, главным требованием к катализаторам риформинга является сохранение их каталитической эффективности в течение длительного периода. Высокая активность связана с высокой поверхностью никеля, что имеет место при небольших размерах его кристаллов. Необходимо предотвращать рост кристаллов или, по крайней мере, стараться задержать его как можно дольше. В паровом риформинге при температуре выше 750 С в присутствии пара, имеющего высокое парциальное давление, создаются условия, которые способствуют росту кристаллов (гл. 2). Сохранение поверхности никеля является поэтому одной из основных функций носителей, которые, как описано на стр. 38—39, подбираются по тугоплавкости и другим подобным свойствам. Можно сказать, что они работают как стабилизаторы . [c.95]

Условия регенерации катализатора могут изменяться в зависимости от состава катализатора и условий его эксплуатации. Широкое применение би- и полиметаллических катализаторов риформинга, несомненно, внесет много нового в технологию этого процесса, в том числе и в их регенерацию. Особенностью регенерации катализатора риформинга, содержащего металл платиновой группы с добавлением металлических промоторов IV группы Периодической системы элементов Д. И. [c.160]

Металлы — мышьяк, свинец, медь, содержание которых поел гпдроочистки очень невелико, накапливаются на катализатор риформинга необратимо. Вступая во взаимодействие с платиной металлы нарушают гидрируюш,ую-дегидрирующую функцию ката лизатора. Накопление металлических примесей приводит к посте пенному старению катализатора. Быстрое отравление катализатор может пметь место при переходе на сырье вторичного происхождения при использовании бензинов, полученных из ловушечной нефти где концентрация металлических примесей вследствие случайны причин может оказаться весьма значительной. Катализатор, отра вленный металлами, весьма быстро закоксовывается и после регене рации не восстанавливает своей активности. [c.26]

Естественно, катализаторы бифункционального катализа до — лжны содержать в своем составе одновременно оба типа центров — и металлические (м.ц.), и кислотные (к.ц.). Так, полиметаллический алюмоплатиновый катализатор риформинга представляет собой пла — тину, модифицированную редкоземельными металлами (например, Яе), на носителе — окиси алюминия, промотированном кислотой (хлором). В катализаторе гидрокрекинга, например, алюмокобаль— тмолибденцеолитовом (или алюмоникельмолибденцеолитовом), Со + Мо или Ы1+Мо осуществляют гидрирующе —дегидрирующие функции, а цеолит является кислотным компонентом. В качестве примера приведем возможные схемы протекания подобных реакций. [c.95]

Катализаторы риформинга относятся к группе бифункциональных катализаторов и обладают двумя основными функциями дегидрирующей (гидрирующей) и кислотной. И если кислотную функцию выполняет окись алюминия, являющаяся носителем катализатора, то дегидрирующую (гидрирующую) функцию — обычно металлы VIII группы (платина, палладий, рений, германий, иридий и др.). Регулируя соотношение этих функций можно влиять на эффективность катализаторов. [c.10]

Ко второму типу катализаторов относят металлы, нанесенные на оксидные носители с развитой поверхностью (например, алюмо платиновый катализатор). В этом случае спекание может приводить не только к уменьшению поверхности носителя, но и к коалесценции или потере дисперсности кристаллитов металла. Последнее вызывает резкое снижение активности. Этот механизм обычно наблюдается при температурах значительно более низких, чем температуры спекания носителя, хотя в некоторых случаях (н шример, алюмоплаткновые катализаторы риформинга) перегрев приводит к уменьшению поверхности носителя и металла. [c.92]

Платина не только ускоряет реакции гидрирования-дегидриро-вания, но и замедляет образование кокса на поверхности. Объясняется это следующим диссоциативно адсорбированный на платине водород диффундирует на поверхности катализатора к местам образования отложений кокса. Коксогены гидрируются, что способствует десорбции их с поверхности, и в результате этого скорость образования кокса зависит от давления водорода. Поэтому минимальная концентрация платины в катализаторах риформинга определяется скорее необходимостью поддерживать их поверхность в чистом состоянии, а не необходимостью получения достаточного числа активных центров на поверхности металла. В определенной степени концентрация платины зависит также от природы используемого сырья и условий проведения процесса. [c.140]

В катализаторы риформинга вводили различные металлы. Платина нашла широкое применение в 50-х и в начале 60-х гг. В конце 60-х гг. в промышленности начали использовать платн-норениевые катализаторы. Роль рения и форма, в которой он присутствует в катализаторе, все еще являются предметом днс- [c.148]

Элементарные С1адии ряда приведенных реакций предопределяются бифункциональным характером катализаторов риформинга. С одной стороны, они содержат один металл (платину) или несколько металлов (например, платину и рений, или платину и иридий), которые катализируют реакции гидрирования и дегидрирования. С другой стороны, носителем служит промотированный галогенами оксид алюминия, обладающий кислыми свойствами и катализирующий реакции, свойственные катализаторам кислотного типа. Поэтому разные элементарные стадии реакции могут протекать на различных участках поверхности катализатора металлических или кислотных. [c.7]

Если такой механизм реакции справедлив и в некоторых случаях можно ожидать полной дегидрогенизации атомов углерода, то при гидрогенолизе парафинов может происходить зауглероживание металлических центров платиновых катализаторов риформинга. Справедливость такого предположения подтверждает промышленная практ ика каталитического риформинга,[761, Для подавления акти.в-ност кайлнШбрО риф рмйнга реакциях гидрогенолиза применяют разные методы (осернение, модифицирование добавками некоторых металлов— см. гл. 2), в результате чего эти реакции перестают играть существенную роль в нормальных условиях процесса. [c.44]

Ha протяжении последних 5—7 лет патентная литература отразила стремление улучшить катализаторы риформинга за счет перехода от биметаллических к полиметаллическим каталитическим системам. Большей частью такие системы содержат, наряду с платиной, еще два элемента, из которых один принадлежит к первой группе, а другой —ко второй. Так, если алюмоплатнновый катализатор промотируют рением, то в катализатор вводят еще один из следующих металлов медь, серебро, кадмий, цинк, индий, редкоземельные элементы — лантан, церий, неодим и др. [1551. [c.75]

В процессе эксплуатации катализатора риформинга может происходить укрупнение кристаллитов платины, а значит и уменьшение удельной поверхности металла. Чем меньше размер кристаллита и, следовательно, чем больше дисперсность платины, тем активнее катализатор Pt/AljOg в реакции дегидроциклизации гептана (табл. 28) [1981. Одновременно повышается также селективность реакции (выход ароматических углеводородов иа превращенный гептан). В работе [199], исследуя влияние дисперсности платины при дегидроциклизации гексана на катализаторе Pt/AljO ,, пришли к выводу, что оптимальной является дисперсность, отвечающая отношению Н Pt AS 0,7, и что дальнейшее ее увеличение приводит к уменьшению активности и стабильности катализатора. [c.87]

Рений. Алюмоплатнновые катализаторы, промотированные рением, нашли значительно более широкое промышленное применение, чем все другие би- и полиметаллические катализаторы риформинга [156]. Алюмонлатинорениевые катализаторы, явились предметом многих исследований, которые освещены в монографии [226]. Кроме того, в [227] приведен краткий обзор работ, в которых эти катализаторы изучали с целью выяснения взаимодействия платины и рения, а также этих металлов с серой. [c.100]

Катализаторы риформинга относятся к классу так называемых окиснометал-лических катализаторов, приготовленных нанесением небольшого количества металла на огнеупорный носитель. [c.158]

Чтобы избежать чрезмерного расщепления углеводородного сырья в начальный период работы катализаторов риформинга, в ряде случаев прибегают к их осернению непосредственно после нанесения платины на окись алюминия. Обработку катализаторов чаще всего проводят сероводородом. Кроме него могут быть использованы другие серусодержащие соединения, например сернистый аммоний, тиомочевина и др. В результате подобной обработки образуется сернистое соединение платины, которое непосредственно перед эксплуатацией катализатора восстанавливают до металла. Неосерненные катализаторы после нанесения платины и сушки при 110—130 °С обычно прокаливают в токе воздуха или азота при температуре 350—600 °С. Одной из основных задач прокаливания является обезвоживание катализатора. [c.164]

Многочисленные недостатки, усложняющие технологию процесса и эксплуатацию установок, привели к тому, что изомеризация на хлориде алюминия теряет значение я вытесняется изомеризацией на бифункциональных катализаторах. Бифункциональные катализаторы изомеризации относятся к типу катализаторов риформинга. Они представляют собой металлы восьмой группы (Pt, Pd), нанесенные в количестве 0,2—1% на окрсь алюминия или цеолит aY, HY. Эти катализаторы обладают доизомеризации алканов С5—Сб, но активность их невысока. Поэтому процесс проводят при 350—400 С. Для предотвращения [c.261]

Выбор катализатора риформинга определяется механизмом реакций, протекающих на нем. Реакции гидрирования и дегидрирования протекают по окислительно-восстановительному механизму и катализируются металлами, реакции изомеризации и гидрокрекинга протекают по ионному механизму и катализируются кислотами. Поэтому, в каталитическом крекинге используются бифункциональные катализаторы состава Ме -Ь -ЬА120з , где Ме = молибден, платина, рений, А12О3 — катализатор изомеризации, промотируемый фторидами или хлоридами металлов, являющийся одновременно носителем. [c.144]

Катализаторы риформинга полифункциональны. Гидрирующую и дегидрирующую ф-цию осуществляют металлы УП гр. (Р1, Р(1), кислотную — носитель (А12О3), в к-рый обычно вводят галоген. В пром. установках применяют алюмоплатиновые (содержание Р1 0,5-0,65% по массе, галогена 0,7-1,75%), а также би- или полиметаллич. катализаторы-алюмоплатиновые (0,3-0,4% по массе Р1), промотированные Ке, 1г, Ое, РЬ, 8п и др. металлами. [c.342]

Со времени применения платинорениевого катализатора в промышленности в 1968 г. начался новый период в развитии каталитического риформинга — переход на би- и полиметаллические катализаторы, содержащие наряду с платиной и другие металлы. В течение последних 30 лет и более би-и полиметаллические катализаторы постепенно обновлялись и совершенствовались, в настоящее время внедрены в промышленность свыше 100 марок катализаторов риформинга. [c.25]

В начале 70-х годов прошлого века появился ряд новых патентов по пол> чению биметаллических катализаторов, где в качестве второго компонента используются германий [43], олово [44], иридий [45], вольфрам [46], рутений, церий, итрий [47] и другие металлы. В последующем в литературных источниках появились сообщения о производстве новых полиметаллических катализаторов риформинга. В описаниях некоторых патентов выявлено, что к платинорениевому катализатору добавляется третий компонент, в качестве которого могут быть германий [48], хром, молибден, вольфрам [49], иридий [50]. Известны патенты на катализаторы, содержащие платину, олово и иридий [51], платину, олово и германий [52], платину, кадмий и свинец [53], платину, рений, вольфрам и добавки щелочных и щелочноземельных металлов [54]. [c.30]

В качестве второго, иногда третьего и даже четвертого компонента были исследованы почти все металлы периодической системы, в реальных же промышленных катализаторах использ)тот рений, олово, иридий, гермгний, кадмий и некоторые другие [55]. Со времени появления первого промышленного платинорениевого катализатора в 1968г. до настоящего времени получили внедрение более 100 марок би- и полиметаллических катализаторов. В табл.4.1 представлены основные би- и полиметаллические катализаторы риформинга, производимые в некоторых странах мира [56-59,65, 92-94, 113, 207, 209]. [c.30]

Объяснитель: Что такое катализатор?

энергия активации (в химии) Минимальная энергия, необходимая для того, чтобы произошла конкретная химическая реакция.

атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

связь (в химии) Полупостоянное соединение между атомами — или группами атомов — в молекуле.Он образован силой притяжения между участвующими атомами. После соединения атомы будут работать как единое целое. Чтобы разделить составляющие атомы, молекуле необходимо подвести энергию в виде тепла или другого типа излучения.

углерод Химический элемент с атомным номером 6. Он является физической основой всего живого на Земле. Углерод существует в свободном виде в виде графита и алмаза. Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна к самосвязыванию химически, образуя огромное количество химически, биологически и коммерчески важных молекул.

катализатор Вещество, которое помогает химической реакции протекать быстрее. Примеры включают ферменты и элементы, такие как платина и иридий.

каталитический нейтрализатор Устройство из керамических структур сотовой формы, которое устанавливается на выхлопную трубу транспортного средства. Проходя через него выхлопные газы, они сталкиваются с двумя разными типами катализаторов, каждый из которых может вызвать различный тип химической реакции. Один или несколько металлов, обычно платина, родий, палладий, а иногда даже золото, покрывают внутреннюю часть системы.Все стенки сотовой структуры устройства значительно увеличивают площадь покрытых катализатором поверхностей, которые теперь могут вступать в реакцию с выхлопными газами. Когда газы из двигателя попадают на эти покрытые металлом поверхности, они разрушают загрязняющие вещества, превращая их в менее вредные материалы. Датчик в преобразователе также измеряет количество кислорода в выхлопных газах. Если он находит слишком много, он приказывает компьютеру отрегулировать соотношение воздух-топливо в двигателе, чтобы он горел более чисто.

химический Вещество, образованное двумя или более атомами, которые объединяются (становятся связанными вместе) в фиксированной пропорции и структуре.Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H ₂ O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

химические связи Силы притяжения между атомами, достаточно сильные, чтобы связанные элементы функционировали как единое целое. Некоторые силы притяжения слабые, некоторые очень сильные.Кажется, что все связи связывают атомы посредством совместного использования или попытки совместного использования электронов.

химическая реакция Процесс, который включает перегруппировку молекул или структуры вещества в противоположность изменению физической формы (например, от твердого тела к газу).

электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

двигатель Машина, предназначенная для преобразования энергии в полезное механическое движение.Иногда двигатель называют мотором.

ферменты Молекулы, производимые живыми существами для ускорения химических реакций.

выхлоп (в машиностроении) Газы и мелкие частицы, выбрасываемые — часто с высокой скоростью и / или давлением — в результате сгорания (горения) или нагревания воздуха. Выхлопные газы обычно представляют собой отходы.

топливный элемент Устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую.Наиболее распространенным топливом является водород, который в качестве побочного продукта выделяет только водяной пар.

генетический Имеет отношение к хромосомам, ДНК и генам, содержащимся в ДНК. Область науки, имеющая дело с этими биологическими инструкциями, известна как генетика. Люди, работающие в этой области, — генетики.

водород Самый легкий элемент во Вселенной. Как газ, он бесцветен, не имеет запаха и легко воспламеняется. Это неотъемлемая часть многих видов топлива, жиров и химикатов, из которых состоят живые ткани.

иридий Обнаруженный в 1803 году, его название происходит от латинского слова «радуга». Это твердый, хрупкий и устойчивый к коррозии металл из семейства платиновых. Немного желтоватый, этот элемент в основном используется в качестве отвердителя для платины. Действительно, его температура плавления составляет более 2400 ° по Цельсию (4350 ° по Фаренгейту). Атомный номер элемента 77.

производство Изготовление вещей, обычно в больших масштабах.

металл Что-то, что хорошо проводит электричество, имеет тенденцию быть блестящим (отражающим) и податливым (что означает, что его можно изменить с помощью тепла, а не слишком большого усилия или давления).

молекула Электрически нейтральная группа атомов, представляющая минимально возможное количество химического соединения. Молекулы могут состоять из атомов одного или разных типов. Например, кислород в воздухе состоит из двух атомов кислорода (O ₂), а вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (H ₂ O).

питательное вещество Витамин, минерал, жир, углевод или белок, который растению, животному или другому организму требуется как часть его пищи для выживания.

кислород Газ, составляющий около 21 процента атмосферы. Все животные и многие микроорганизмы нуждаются в кислороде для поддержания своего метаболизма.

палладий Мягкий, пластичный, стально-белый, устойчивый к потускнению металлический элемент, встречающийся в естественных условиях с платиной, особенно в золотых, никелевых и медных рудах.

нефть Густая легковоспламеняющаяся жидкая смесь углеводородов. Нефть — это ископаемое топливо, которое в основном находится под поверхностью Земли.Это источник химикатов, используемых для производства бензина, смазочных масел, пластмасс и многих других продуктов.

пластик Любой из ряда легко деформируемых материалов; или синтетические материалы, которые были изготовлены из полимеров (длинных цепочек некоторых строительных блоков), которые имеют тенденцию быть легкими, недорогими и устойчивыми к разложению.

платина Природный серебристо-белый металлический элемент, который остается стабильным (не корродирует) на воздухе.Он используется в ювелирных изделиях, электронике, химической обработке и некоторых зубных коронках.

загрязнитель Вещество, которое портит что-либо — например, воздух, воду, наши тела или продукты. Некоторые загрязнители представляют собой химические вещества, например пестициды. Другие могут быть излучением, включая избыточное тепло или свет. Даже сорняки и другие инвазивные виды могут считаться типом биологического загрязнения.

Основы катализаторов — Chemistry LibreTexts

Гетерогенные катализаторы

Катализатор — это другое вещество, чем продукты-реагенты, добавляемые в реакционную систему для изменения скорости химической реакции, приближающейся к химическому равновесию.Он циклически взаимодействует с реагентами, способствуя, возможно, множеству реакций на атомном или молекулярном уровне, но не расходуется. Еще одна причина использования катализатора заключается в том, что он способствует производству выбранного продукта.

Катализатор изменяет энергию активации E _a реакции, обеспечивая альтернативный путь для реакции. Скорость и константа скорости k реакции связаны с E _a следующим образом:

скорость = k * функция концентрации
k = A exp (^{— E a}/_{R T})

, где A — константа, связанная с частотой столкновений.Таким образом, изменение E _на изменяет скорость реакции.

Катализатор в той же фазе (обычно жидкий или газовый раствор), что и реагенты и продукты, называется гомогенным катализатором .

Катализатор, который находится в отдельной фазе от реагентов, называется гетерогенным или контактным катализатором . Контактные катализаторы — это материалы, способные адсорбировать молекулы газов или жидкостей на своей поверхности.Примером гетерогенного катализа является использование мелкодисперсной платины для катализа реакции монооксида углерода с кислородом с образованием диоксида углерода. Эта реакция используется в каталитических нейтрализаторах, установленных в автомобилях, для удаления окиси углерода из выхлопных газов.

Промоторы сами по себе не являются катализаторами, но увеличивают эффективность катализатора. Например, оксид алюминия Al ₂ O ₃ добавляют к тонкодисперсному железу для повышения способности железа катализировать образование аммиака из смеси азота и водорода.Яд снижает эффективность катализатора. Например, соединения свинца отравляют способность платины как катализатора. Таким образом, этилированный бензин нельзя использовать в автомобилях, оборудованных каталитическими нейтрализаторами.

Поскольку гетерогенные катализаторы часто используются в высокотемпературных реакциях, они обычно представляют собой тугоплавкие (тугоплавкие) материалы, или же они могут быть нанесены на тугоплавкие материалы, такие как оксид алюминия.

Сегодня разработка катализаторов — это вызов для химиков и инженеров, связанных с эффективным производством, предотвращением загрязнения и обработкой отходов.

Что такое химическое поглощение и как оно способствует химическим реакциям?

Как упоминалось в случае твердых дефектов, твердые поверхности являются двумерными дефектами. Они обладают потенциалом притяжения для молекул газов и жидкости. Адсорбция происходит, когда молекулы притягиваются к поверхности, и когда молекулы проникают через объемный материал, используется термин абсорбция. Абсорбция без образования или разрыва химических связей называется физической абсорбцией или физической сорбцией, тогда как хемосорбция относится к процессам, когда образуются или разрываются новые связи.

Inorganic Chemistry Swaddle (стр. 117) дает отличный пример для иллюстрации хемосорбции водорода никелевым катализатором. Энергия связи H ₂ составляет 435 кДж / моль. Таким образом, в реакции гидрирования для реакций должна быть доступна энергия:

H ₂ -> 2 H, H = 435 кДж

| |
> C = C <+ 2 H -> H-C — C-H
| |

В указанной выше реакции энергия активации E _a близка к 435 кДж.Однако, когда водород поглощается никелем, разрыв связи H-H облегчается рядом шагов.

2 Ni + H ₂ —> 2 Ni … H ₂ —-> 2 Ni-H
Физисорбция твердого газа, хемосорбция

Таким образом, энергия активации снижается из-за образования связей Ni-H. Изменение энергии активации изменяет скорость реакции.

При активации O ₂ металлом M связь O = O ослабляется или разрывается с помощью следующих шагов:

O = O O — O O O O- O-
| | || || | |
-M — M- ==> -M — M- ==> -M M- ==> -M M-

На этих этапах кислород активируется на разных этапах.

С помощью сложных экспериментальных методов мы можем детально изучить хемосорбированные частицы. Например, хемосорбированный этилен считается этилидиновым радикалом


  Ч В В
      \ | /
        C
        |
        C
       / | \
    PtPtPtPtPt
Металл Металл Металл

Хемосорбированный радикал этилидун.

Какие виды хемосорбции приводят к отравлению катализатора?

Если поглощенные частицы очень стабильны, и в процессе хемосорбции выделяется много энергии, поглощенные частицы не реакционноспособны.Их поглощение предотвращает дальнейшее поглощение других частиц, делая катализатор неактивным. Эти явления известны как отравление катализатором.

Яд снижает эффективность катализатора. Тетраэтилсвинец всегда был добавкой к бензину. В целях защиты окружающей среды в автомобилях установлены каталитические нейтрализаторы для окисления окиси углерода и углеводородов. Однако соединения свинца отравляют способность платины как катализатора. Таким образом, этилированный бензин не следует использовать в автомобилях, оборудованных каталитическими нейтрализаторами.

На рынке существует множество типов катализаторов, например, катализатор окисления MIRATECH может также снизить выбросы окиси углерода и углеводородов. Самый распространенный катализатор использует металлическую Pt.

В последнее время возникает озабоченность по поводу снижения содержания серы в бензине и других моторных топливах с целью уменьшения выбросов оксидов серы. Технически соединения серы не являются каталитическими ядами (т.е. они не вызывают необратимого снижения эффективности катализатора).Однако они будут занимать часть поверхности драгоценного металла, тем самым снижая активную конверсию выхлопных газов до тех пор, пока сера снова не будет десорбироваться с участков драгоценного металла (краткосрочный эффект).

Как переходные металлы выбираются в качестве катализаторов?

Первый период переходных металлов представлен этими металлами.

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu и Zn

Типичными общими чертами среди них являются наличие d электронов, а во многих из них и их незаполненных d орбиталей.В результате переходные металлы образуют соединения с переменной степенью окисления. Таким образом, эти металлы представляют собой банков электронов , которые выдают электроны в надлежащее время и хранят их для химических соединений в другое время.

Переходные металлы используются в реакциях гидрирования , упомянутых ранее. Эти реакции представлены

| |
> C = C <+ 2 H -> H-C — C-H
| |

Например, гидрирование ненасыщенного масла при производстве маргарина является таким приложением.Специальные катализаторы, такие как ICT-3-25-P, изготавливаются из палладия, нанесенного на специальный широкопористый углеродный носитель «Сибунит».

Другими процессами, катализируемыми переходными металлами, являются окислительно-восстановительные реакции:

NH ₃ + 5/4 O ₂ = NO + H ₂ O
2 CO + O ₂ = 2 CO ₂

Окисление CO происходит в каталитических нейтрализаторах, платина часто, но не всегда, используется в них в качестве катализатора. На изображении здесь показан двойной каталитический нейтрализатор, показывающий путь прохождения газа.

Для большинства переходных металлов, кроме золота, хемосорбционная сила соответствует общей последовательности для газообразных реагентов:

O ₂> алкины> алкены> CO> H ₂> CO ₂> N ₂

Хемосорбционная сила также зависит от металлов. В общем, хемосорбция наиболее сильна для металлов слева, а для переходных металлов она уменьшается с увеличением атомного номера:

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg

Хемосорбция слишком сильна для групп Sc, Ti, V, Cr и Mn, и эти металлы не являются эффективными катализаторами.

Fe, Ru и Os прочно хемосорбируют большинство газов и почти не хемосорбируют N ₂.
Прочность Chemisorb для Co и Ni ниже, чем для группы Fe. Их абсорбция для CO ₂ и H ₂ очень слабая.
Rh, Pd, Ir и Pt почти не хемосорбируют H ₂, но не CO ₂.
Cu, Ag, почти не хемосорбируют CO и этилен.

Эти относительные силы хемосорбции позволяют нам сделать некоторые простые прогнозы относительно их способности действовать как катализаторы конкретных реакций.Например, катализатор процесса Габера по производству аммиака должен хемосорбировать азот. Можно рассмотреть железо, рутений или осмий.

Для реакций гидрирования катализатор должен хемосорбировать H ₂. Подходят металлы Co, Rh, Ir, Ni, Pd и Pt. Доступность и стоимость являются дополнительными факторами, которые необходимо учитывать. Учитывая все обстоятельства, никель — действительно хороший выбор.

Эти руководящие принципы очень грубые, и каждый случай требует тщательного изучения. К счастью, многие катализаторы коммерчески доступны.Многие компании оставляют исследования и разработки катализаторов.

Что такое синтез-газы и как их готовят?

Синтез-газ — это общий термин, используемый для обозначения синтетических газов, пригодных в качестве топлива или для производства жидкого топлива. Часто это смесь H ₂ и CO, и эта смесь может быть превращена в метанол, CH ₃ OH. Хорошо известными катализаторами являются Pt и Rh, но для производства синтез-газа также используются другие технологии, такие как мембраны.

Выбор катализатора важен в промышленных производствах.Например, использование родия или платины в качестве катализаторов показало, что распределение продуктов сильно различается при использовании метана или этана.

CH ₄ (65%) + O ₂ (35%) — Rh -> H ₂ (60%) + CO (30%) + CO ₂ (2%) + H ₂) (5%)

При использовании платины было получено больше нежелательных продуктов H ₂ O и CO ₂. Swaddle описал разницу между использованием этих двух металлов в качестве катализаторов ( Inorganic Chemistry , стр. 120), но когда дело доходит до применения, требуется гораздо больше деталей.Эти данные свидетельствуют о том, что небольшая разница в хемосорбции приводит к очень разным результатам.

Почему металлические кластеры будут отличным потенциальным катализатором?

Площадь поверхности на единицу веса является важным фактором, когда твердые вещества используются в качестве катализаторов. Есть много исследований, связанных с изучением площади поверхности твердых частиц металлов. Разработаны различные методы измерения площади поверхности твердых материалов. Одним из таких методов является определение площади поверхности по адсорбции газа.

Кластеры — это металлические частицы предельного размера, каждая из которых состоит всего из нескольких атомов. Нет необходимости строго определять количество атомов в частицах, которые будут называться кластерами, но общее мнение таково, что когда количество атомов на поверхности частицы больше, чем количество атомов в внутренней части , частица — это кластер . Таким образом, кластер может иметь всего от 3 атомов до нескольких десятков атомов.

Кстати, термин кластер использовался и в других областях исследований.Например, в металлоорганической химии соединения, в которых несколько металлов связаны вместе связями металл-металл, также называются металлическими кластерами. К этой категории относятся многие карбонильные соединения. Например,

Co ₂ (u-CO) ₂ (CO) ₆, (u-CO означает CO, соединенный мостиком между двумя атомами металла)
Mn ₂ (CO) ₁₀
Fe ₃ (CO ) ₁₂
Co ₄ (CO) ₁₂
Rh ₄ (CO) ₁₂
CFe ₅ (CO) ₁₅
Rh ₆ (CO) ₁₆
Os ₆ (CO) ₁₈

Карбонилы металлов исследовались как гомогенные катализаторы.Они упомянуты здесь, чтобы вы могли оценить их использование в другой литературе.

Вся каталитическая активность происходит на поверхности, потому что поверхностные атомы имеют склонность к хемосорбции молекул газа. Таким образом, кластеры, естественно, будут отличными потенциальными катализаторами. Таким образом, исследование гетерогенных катализаторов может включать изучение химии кластерных ионов металлов и инкапсулированных кластеров серебра в качестве катализаторов окисления. Кластеры могут быть получены путем осаждения из паровой фазы.Название этой ссылки звучит очень интересно: Химия паров атомов металлов: область ждет своего прорыва.

Являются ли нестехиометрические оксиды потенциальными катализаторами окислительно-восстановительных реакций?

Благодаря своей способности иметь различную степень окисления, переходные металлы образуют нестехиометрические оксиды, и они обладают отличным потенциалом для реакций окисления и восстановления (окислительно-восстановительных), поскольку они могут как отдавать, так и принимать электроны.

M ^{n +} => M ^{(n + 1) +} + e ^—
M ^{(n + 1) +} + e ^— => M ^{n +}

Кроме того, они напоминают металлы и катализируют реакции гидрирования и изомеризации.

Оксид металла p-типа имеет избыточные положительные заряды в твердом теле, и они могут адсорбировать кислород с образованием таких анионов, как O ^—, O ^2-, O ₂ ^— и O ₂ ^2- на их поверхности. Оксид никеля является таким оксидом. Оказалось, что наиболее активными являются адсорбированные частицы O ^—,

O ₂ (г) + 2 Ni ²⁺ => 2 O ^— (реклама) + 2 Ni ³⁺
2 O ^— (реклама) + 2 CO (реклама) => 2 CO ₂ + 2 e ^—
2 Ni ³⁺ + 2 e ^— => 2 Ni ²⁺

Когда оксид отдает кислород, электроны остаются, а отрицательный заряд в нем делает его оксидом n-типа .Оксид цинка является таким оксидом n-типа , и механизм реакции можно представить следующим образом:

CO (г) + 2 O ^2- (решетка) => CO ₃ ^2- (решетка) + 2 e ^—
0,5 O ₂ + 2 e ^— => O ^2-
CO ₃ ^2- (решетка) = CO ₂ + O ^2- (решетка)

Общая реакция —

CO + 0,5 O ₂ => CO ₂

На этих первичных этапах кислород потребляется посредством адсорбции на твердом теле.

Сульфид, такой как MoS ₂, может потерять атомы серы, чтобы стать твердым телом n-типа , Mo _{1 + x} S ₂ или получить атом серы, чтобы стать твердым Мо p-типа. _1-x S ₂, в зависимости от давления пара S ₂ газа, окружающего твердое тело. Путем легирования MoS ₂ оксидом можно также сделать его твердым телом p-типа для катализатора.

Одним из полезных применений MoS ₂ в качестве катализатора является снижение содержания серы в бензине.Например, циклический тиофен C ₄ H ₄ S может быть преобразован в углеводород с использованием p-типа MoS ₂,

C ₄ H ₄ S + 4 H ₂ == p-образный MoS ₂ ==> C ₄ H ₁₀ + H ₂ S

Это достигается с помощью обычного промышленного катализатора гидрообессеривания, который может содержать 14% МоО ₃ и 3% СоО на носителе из оксида алюминия.

Какой тип катализатора можно сделать из стехиометрических оксидов?

Хорошо известно, что оксиды металлов растворяются в воде с образованием основных растворов, тогда как неметаллические оксиды растворяются в воде с образованием кислых растворов.Некоторые оксиды металлов, такие как Al ₂ O ₃, Fe ₂ O ₃, Cr ₂ O ₃ и т. Д., Растворяются в сильной кислоте и основаниях. Таким образом, мы можем разделить оксиды на кислотные и основные оксиды для каталитической активности.

Кислотные оксиды

Кислые оксиды, такие как Al ₂ O ₃ и SiO ₂, катализируют реакции дегидратации, такие как

R-CH ₂ CH ₂ OH (г) == (Al ₂ O ₃, 600 K) ==> R-CH = CH ₂

Если мы рассматриваем оксид как кислоту Льюиса, он адсорбирует группу ОН, облегчая реакцию на следующих стадиях.

R-CH ₂ CH ₂ OH (г) => R-CH ₂ -CH ₂ ⁺ + OH ^— (адсорбированный)
R-CH ₂ -CH ₂ ⁺ => R-CH ⁺ -CH ₃
R-CH ⁺ -CH ₃ + OH ^— (адсорбированный) => R-CH = CH ₂ + H ₂ O

Цеолиты, которые представляют собой алюмосиликаты, действуют как кислотные катализаторы. Они также катализируют изомеризацию, крекинг, алкилирование и другие органические реакции.

Основные оксиды

Основные оксиды, такие как MgO и ZrO, благоприятствуют реакциям с участием анионных частиц . Когда протон H ⁺ адсорбируется на поверхности, близкой к иону O ^2- в оксиде металла, образуется группа OH ^—, оставляя органической молекуле отрицательный заряд.

CH ₃ -CH ₂ -CN + MO (твердый) => -CH ₂ -CH ₂ CN + M-OH ⁺ (твердый)
=> CH ₂ = CH- CN + MOH ₂ (твердый)
= + кислород => CH ₂ = CH-CN + MO (твердый) + H ₂ O (продукт)

Общая реакция представляет собой селективное окисление

CH ₃ -CH ₂ -CN + MO (твердый) + 0.5 O ₂ => CH ₂ = CH-CN + MO (твердый) + 0,5 H ₂ O

Окисление устраняет два атома водорода на молекулу в процессе, и предлагаемый механизм предполагает двухэтапный процесс удаления.

Смеси основных оксидов использовались в качестве катализаторов в окислительном сочетании метана. В некоторых случаях для такого применения разрабатываются специальные реакторы и катализаторы. TAP Reactor — одно из таких приложений. В данном случае использовались цеолиты.

Что такое фотокаталитические реакции?

Реакции, вызванные фотонами, пучками энергии излучения, называются фотолизом. Фотокаталитические реакции подразумевают фотолиз в присутствии катализатора. Однако в большинстве случаев катализаторы являются полупроводниками, а реакции представляют собой реакции фотолиза с участием полупроводников. В этом аспекте фотокатализатор выполняет несколько иную функцию, чем те, которые используются в термически химическом процессе.

Моделирование ниже показывает, что когда желтый луч попадает на полупроводник TiO ₂, электроны возбуждаются из валентной зоны в зону проводимости.Эта ширина запрещенной зоны составляет 3,2 В. Возбужденный электрон способствует образованию H ₂. Дырки отбирают электроны от групп OH ^—, превращая их в активные радикалы OH. Радикалы распадаются с образованием O ₂ или реагируют с CHCl ₃, превращая его в безвредный CO ₂, H ⁺ и Cl ^—. Это моделирование фотокатализаторов подготовлено японской группой, и оно довольно хорошо иллюстрирует концепцию. На самом деле процесс довольно сложный.

При фоторазложении воды возбужденные электроны реагируют с ионами (протонами) водорода

2 H ⁺ + 2 e ^— = H ₂
2 OH ^— + 2 e ⁺ (отверстие) = H ₂ O + 0,5 O ₂

Таким образом, продукты H ₂ и O ₂ являются потенциальным топливом для энергоснабжения, особенно для топливных элементов.

В качестве другого примера фторборная кислота используется при гальванике и отделке металлов.Для очистки сточных вод этих производств требуется удаление борной кислоты. Существующие методы адсорбции, коагуляции, осаждения не работают. Таким образом, было изучено фотокаталитическое разложение фторборной кислоты, которое показало, что TiO ₂ достаточно эффективен при легировании оксидами Cr и Fe. Приведенная выше ссылка показывает, что легирование Cr или Fe резко увеличивает активность. Более того, 0,5 мас.% Cr / TiO2 и 1,0 мас.% Fe / TiO2 показали максимальную активность 61% и 41% соответственно.

Недавно в новостной статье появилось привлекательное заявление о внутреннем воздухоочистителе. Подумайте сами, стоит ли это исследовать.

Пример 1

Запрещенная зона TiO ₂ составляет 3,2 В. Какова частота фотонов, энергии которых достаточно для возбуждения электронов из ковалентной зоны TiO ₂ в зону проводимости?

Раствор
Энергия возбуждения электрона до 3,2 В составляет 3,2 эВ.

1.6022e-19 Дж 1
3,2 эВ ————- ————- = 7,74e14 Гц
1 эВ 6,626e-34 Дж с

ОБСУЖДЕНИЕ
Длина волны этих фотонов

3e8 м / с
——— = 387e9 м (или 387 нм)
7,74 / с

Эти фотоны находятся в видимом диапазоне 350-700 нм.

Пример 2

Моль фотонов называется эйнштейном. Сколько энергии в Дж соответствует эйнштейну фотонов, описанных в Примере 1.

Раствор
Энергия

1.6022e-19 Дж 6.022e23
3,2 эВ ————— ————- = 308000 Дж = 308 кДж
1 эВ 1 фотон

ОБСУЖДЕНИЕ
Когда мы обсуждали энергию Гиббса, мы узнали, что энтальпия образования для H ₂ O составляет -285,83 кДж. Это означает, что нам нужно минимум 286 кДж для разложения воды. Таким образом, 1 эйнштейн фотонов имеет больше энергии, чтобы разложить моль воды, чем минимум.Однако для разложения воды требуется перенапряжение. Оксид титана смешивают с металлической платиной и оксидом рутения для облегчения образования пузырьков в этом процессе. (См. Inorganic Chemistry Swaddle (стр. 125).

TWC — Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

ИСТОРИЯ ВОПРОСА — CATCON
Каталитический нейтрализатор (или catcon) в вашем автомобиле, на самом деле, очень важный элемент выхлопной системы автомобиля, поскольку он удаляет вредные оксиды азота (NO _X, x = 1,2,3) и окись углерода (CO). от остатков сгорания до того, как они попадут в окружающую среду.Он называется каталитическим нейтрализатором, потому что он превращает CO в повсеместно распространенный CO ₂ и NO _X в N ₂ и O ₂ посредством химических реакций на твердом катализаторе. Катализатор — это химическое соединение, которое помогает реакции протекать быстрее за счет снижения энергетического барьера активации реакции. Во время реакции не расходуется. В случае каткона катализатор представляет собой твердую поверхность платины (Pt) или палладия (Pd), на которой адсорбируются и реагируют реагенты из газовой фазы.Этот процесс реакции, которому способствует катализатор, который находится в фазе, отличной от фазы реагентов, известен как гетерогенный катализ. (Узнайте больше о катализаторах на этом веб-сайте.)
Каталитический нейтрализатор — демонтированный
На рисунке выше показаны основные компоненты каталитических нейтрализаторов. Основными компонентами являются два сотовых монолита, покрытых тонким слоем Pt / Rh (первый монолит) и Pd / Rh (второй). Они обеспечивают поверхность, на которой происходит реакция.Как упоминалось ранее, реакции окисления происходят на поверхности металлического катализатора. Поскольку реакция зависит от поверхности, на которой частицы могут адсорбироваться и реагировать, чем больше площадь поверхности, тем больше будет конверсия. Другими словами, скорость реакции и конверсия прямо пропорциональны площади поверхности катализатора.
Роль сотовой структуры монолитов заключается в увеличении открытой площади поверхности, покрытой слоем катализатора.По мере увеличения количества каналов в монолите увеличивается площадь поверхности. Как показано, поверхность монолитов покрыта тонким слоем из довольно аморфного силикатного материала, который увеличивает площадь поверхности за счет придания ей шероховатости.
Чтобы узнать больше о площади поверхности катализатора, посетите этот веб-сайт.
Дальнейшие детали его конструкции можно проиллюстрировать на следующем видео:

Химические реакции в TWC
Как видно на видео, наиболее очевидные реакции, происходящие внутри каткона, следующие:
Тем не менее, в этой небольшой части вашего автомобиля происходит по крайней мере 15 реакций одновременно.Их можно разделить на четыре основные категории: окисление, преобразование воды в газ и пар, восстановление закиси азота и хранение кислорода. Вы можете найти больше об этом в разделе кинетики.
Материально-энергетический баланс
Скорость химических реакций также зависит от температуры, как показано уравнением Аррениуса. Следовательно, мы также должны учитывать передачу энергии (тепла) через наш реактор, потому что каталитический нейтрализатор, по сути, является реактором.Кроме того, каждый канал монолитов служит мини-реактором, поскольку реакции происходят в каналах. В этой системе есть три основных механизма теплопередачи:
1) Теплопроводность по монолиту
2) Конвекционная теплопередача от газообразных частиц к стенкам монолита.
3) Выделение тепла в результате химических реакций (эти реакции окисления являются экзотермическими)
Величина каждого вида скорости теплопередачи будет зависеть от параметров реактора, таких как теплопроводность материалов, из которых изготовлен реактор.Кроме того, скорости реакции являются функцией концентрации реагентов, поэтому очень важно учитывать их транспортировку и расход вдоль реактора. Это также будет зависеть от параметров реактора, таких как коэффициент диффузии, который определяет, насколько быстро частицы могут перемещаться по материалу.
Металлический катализатор — обзор
4 Нанопористые металлы в катализе топливных элементов
Катализаторы на основе драгоценных металлов играют центральную роль во многих технологиях экологически чистой энергии, таких как топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC).Наиболее распространенная стратегия изготовления мембранных электродных сборок (МЭБ) основана на смешивании наночастиц на основе Pt с материалами углеродного носителя с большой площадью поверхности. Открытие пористых металлических материалов обеспечивает альтернативную концепцию дизайна MEA, в которой NPM могут работать как катализатор, так и токоприемник. Что еще более важно, хорошо зарекомендовавшие себя науки о поверхности металлов и тонких пленок могут помочь в реализации электрокатализаторов с большой площадью поверхности и сверхнизким содержанием Pt, которые не зависят от наночастиц, которые по своей природе нестабильны.
Сплавы Ag-Au можно сделать очень тонкими с небольшими затратами с помощью молотка — исторической технологии, связанной с листовым покрытием (рис. 5 (а)). Эти тонкие пленки из сплава, также называемые «листами белого золота», можно травить на отдельно стоящих материалах электродов NPG большой площади, которые очень экономичны, имеют большую площадь поверхности и устойчивы к коррозии (рис. 5 (b)). , Ding et al. , 2004b). Хорошо развитая химия поверхности Au также позволяет напрямую функционализировать структуру другими интересными каталитическими материалами, такими как Pt, Pd и Ru.Например, была разработана технология нанесения покрытия на поверхность раздела химическим способом для покрытия поверхности NPG Pt (рис. 5 (c), Ding et al. , 2004a), и полученные электрокатализаторы Pt-NPG показывают значительно улучшенную каталитическую эффективность по отношению к электрохимическому воздействию. -окисление малых органических молекул, таких как метанол, этанол, муравьиная кислота и глюкоза. Недавнее открытие технологии нанесения покрытий, опосредованной осаждением металла при пониженном потенциале (UPD), еще больше повышает степень модификации поверхности до точности одного атомного слоя (Wang et al., 2010). С помощью этих методов можно контролировать нагрузки Pt в типичном MEA на основе NPM до микрограммов на единицу квадратного сантиметра. Соответственно, их массовая активность во многих электродных реакциях полуэлементов обычно на 1-2 порядка выше, чем у традиционных катализаторов NP.
Рис. 5. Оптические изображения (а) листового белого золота весом 12 карат, (б) листа NPG без легирования и (в) листа NPG с платиновым покрытием. Изображение поперечного сечения SEM, показанное на (d), показывает открытую нанопористость с толщиной образца около 100 нм.(e) Рисунок, иллюстрирующий процедуру изготовления очень высокоэффективных анодных катализаторов DFAFC на основе NPG. (f) Pt-массовая каталитическая активность NPG – Pt и Pt / C (увеличена в 10 раз для ясности) в смешанном растворе H ₂ SO ₄ / HCOOH.
Для катализа топливных элементов окончательная стратегия разработки катализатора состоит в том, чтобы реализовать 100% использование каталитически активных частиц, таких как Pt, при сохранении достаточно хорошей стойкости к растворению и отравлению. Если взять в качестве примера топливный элемент с муравьиной кислотой прямого действия (DFAFC), его анодная конструкция является особенно сложной, поскольку целевые молекулы по своей природе являются коррозионными, а образование промежуточных соединений CO на поверхности Pt почти спонтанно, в то время как большинство других элементов либо неактивны, либо нестабильны. .Руководствуясь расчетами теории функционала плотности (DFT) и экспериментальными спектроскопическими исследованиями, теперь совершенно ясно, что одной идеальной структурой катализатора для этой цели должен быть высокопроводящий электрод с большой площадью поверхности, на котором дискретные атомы Pt равномерно диспергированы и связаны с образованием стабильный катализатор субмонослойного типа, чтобы электроокисление муравьиной кислоты происходило по высокоэффективному пути прямого окисления (дегидрирования). Эти очень сложные требования могут быть хорошо выполнены при использовании листьев NPG в качестве субстрата (Wang et al., 2014). Это связано с тем, что комплексные ионы PtCl62- могут образовывать стабильную монослойную структуру на поверхности связки субстрата NPG. После электровосстановления эти самоорганизованные ионы PtCl62-, размер выступа которых составляет примерно семь подслоя атомов Au, могут быть восстановлены и осаждены на поверхность NPG (рис. 5 (e)). Интересно, что этот процесс успешен только на подложке типа NPG, которая содержит ступеньки на поверхности субнанометрового размера с высокой плотностью, которые полезны для ингибирования диффузии атомов Pt и улавливания их на поверхности NPG с образованием высокодисперсных небольших ансамблей.Неудивительно, что эти рационально спроектированные аноды показывают более чем 200-кратное повышение эффективности Pt как при электрохимических испытаниях полуэлементов (рис. 5 (f)), так и в реальных DFAFC по сравнению с современным катализатором Pt / C.
Обладая превосходной механической жесткостью и структурной целостностью, тонкие мембранные материалы типа NPG могут быть легко интегрированы в МЭБ при отсутствии какого-либо материала носителя катализатора, такого как технический углерод (рис. 6). На первый взгляд может показаться странным, что здесь пытаются заменить углеродные материалы гораздо более ценным Au в качестве основы.Однако имеющиеся в продаже металлические листы очень тонкие с контролируемой толщиной до нескольких десятков нанометров (рис. 5 (d)). Следовательно, нагрузка Au на единицу площади очень мала и составляет ~ 0,1 мг / см ^-2, что даже меньше, чем значение для нагрузки Pt в традиционных технологиях MEA. По сравнению с Pt, Au занимает на нашей планете сравнительно большую долю, что было бы преимуществом. Кроме того, ультратонкая конфигурация зоны диффузии помогает улучшить массоперенос внутри открытой пористой структуры, а сопротивление ячейки также может поддерживаться на очень низком уровне за счет использования золота.Реализация Pt-NPG в топливных элементах H ₂ / O ₂ была реализована с 2004 г. (Ding и др. , 2004a; Zeis и др. , 2007). При нагрузке Pt, как правило, менее 50 мкг / см ^-2, отдельный элемент может генерировать потенциал холостого хода более 0,9 В с максимальной плотностью мощности (MPD) более 200 мВт / см ^-2 (Рисунок 6 (d) ). При приведении производительности к количеству используемой Pt удельная мощность может достигать ~ 4,5 кВт (г) ^-1, что выгодно отличается от лучших топливных элементов, о которых сообщалось на сегодняшний день.Pt – NPG также очень хорошо работает в жидких топливных элементах. На рис. 6 (е) представлен график вольт-амперной характеристики ( В – I, ) для DFAFC, который использует менее 60 мкг / см ^–2 Pt на аноде в форме Pt – NPG. В неоптимизированных условиях его MPD может достигать 80 мВт / см ^-2, что почти вдвое больше, чем у коммерческого Pt / C анода, хотя его нагрузка Pt почти на 2 порядка ниже. Как упоминалось в предыдущем разделе, наноструктурированное золото может вступать во многие электродные реакции, особенно в щелочных средах.Следовательно, можно разработать конкретные топливные элементы, для которых только Au является хорошим и стабильным катализатором. На рисунке 6 (f) показан один из таких примеров, в котором топливный элемент с прямым гидразиновым пероксидом водорода (N ₂ H ₄ / H ₂ O ₂) питается от листьев NPG как на аноде, так и на катоде (Yan et al. др. , 2012). При нагрузке из благородного металла менее 0,1 мг / см ^-2 на каждой стороне одиночный элемент показывает высокий потенциал холостого хода ~ 1,2 В с MPD около 200 мВт / см ^-2.Для сравнения, для аналогичного топливного элемента, работающего на коммерческой Pt / C при тех же нагрузках из драгоценных металлов, MPD составлял всего 8,8 мВт / см ² при 80 ° C, что почти в 22 раза ниже.
Рис. 6. (a) Мембранные материалы из НПМ могут быть легко интегрированы в настоящую станцию тестирования топливных элементов. Оптические изображения образцов листьев (b) NPG и (c) Pt-NPG, которые были прикреплены непосредственно к мембранам полимерного электролита (например, Nafion) с образованием MEAs. Графики зависимости напряжения и плотности мощности элемента от плотности тока для MEA на основе NPM: (d) топливный элемент H ₂ / O ₂, работающий на катализаторах Pt-NPG с низким содержанием Pt; e) топливный элемент прямого действия с муравьиной кислотой с Pt-нагрузкой на аноде всего 60 мкг / см ^-2; (f) Прямой топливный элемент N ₂ H ₄ / H ₂ O ₂, в котором на обоих электродах используются листовые катализаторы NPG.Эти характеристики обычно недостижимы с традиционными катализаторами типа Pt / C.
Металлический катализатор — обзор
Выделение кислорода
На металлических катализаторах кислород обычно выделяется из соответствующих оксидов металлов, которые могут быть тонкими пленками, как в случае благородных металлов (платина, золото, иридий, родий и рутений). ) или толстые пленки, как в случае серебра или никеля. В целом рост оксидной пленки можно рассматривать как параллельную реакцию с выделением кислорода.
Помимо каталитической активности, катализатор выделения кислорода должен быть стабильным и проводящим при высоких потенциалах, при которых происходит выделение кислорода. Вероятно, на поверхности электрода присутствуют металлические окислительно-восстановительные пары.
Платина — довольно плохой электрокатализатор для выделения кислорода из-за образования стабильного оксидного слоя с низкой проводимостью.
Металлический рутений, хотя и является хорошим электрокатализатором для выделения кислорода, сильно корродирует при потенциале выделения кислорода.Однако электропроводящие объемные оксиды благородных металлов, такие как оксид рутения (RuO ₂) или диоксид иридия (IrO ₂), показывают довольно хорошие характеристики. Напротив, диоксид иридия (IrO ₂) необходимо стабилизировать термической обработкой или легированием танталом.
Никель широко используется в качестве электрокатализатора выделения кислорода в щелочных электролитах. Однако при высоких потенциалах образуются фазы с более низкой проводимостью с участием Ni ⁴⁺, что снижает производительность.
Некоторые оксиды переходных металлов также показывают хорошие показатели выделения кислорода. Это особенно характерно для некоторых оксидов шпинельного типа, таких как оксид коболта никеля (NiCo ₂ O ₄) или оксид кобальта меди (CuCo ₂ O ₄).
Пути реакции, участвующие в выделении кислорода, часто довольно сложны. Механизмы также могут меняться в зависимости от потенциала электрода. На металлических поверхностях этапом, определяющим скорость, является перенос электронов либо от H ₂ O в кислотных электролитах, либо от OH ^— в щелочных электролитах с образованием адсорбированных радикалов ОН на поверхности электрода.
[XI] Поверхностьh3Oадсорбированная → ПоверхностьOHадсорбированная + H ++ e−
За ней следуют две возможные реакции
[XII] 2 ПоверхностьOHадсорбированная → ПоверхностьOадсорбированная + h3O
Завершена [XIII] ПоверхностьOHадсорбированная → ПоверхностьOадсорбированная + H ++ e− 9000 последовательные стадии реакции
[XIV] 2SurfaceOadsorbed → SurfaceO2adsorbed
[XV] SurfaceO2adsorbed → O2 + Surface
Выделение кислорода с поверхностей оксидов металлов в щелочной среде приводит к промежуточному образованию H ₂ O ₂, где скорость — Определяющим этапом оказался разрыв связи поверхность-ОН.
[XVI] Поверхность + OH− → ПоверхностьOH + e−
[XVII] ПоверхностьOH + OH− → Поверхность h3O2, физисорбированная + e−
Далее следует
[XVIII] Поверхность h3O2, физическая сорбция + OH− → SurfaceHO2 − физадсорбция +
[
XIX] Поверхность h3O2физисорбированная + ПоверхностьHO2 − физадсорбированная → h3O + OH− + O2
Изменения степени окисления иона металла самого электрокатализатора можно учесть в следующей последовательности:
[XX] Поверхность + OH− → Поверхность −OH + e−
[XXI] Surface − OH → Surface − OH + 1 + e−
[XXII] 2Surface − OH + 1 + 2OH− → 2Surface + O2 + 2h3O
Очевидно, электронные свойства, определяемые d -электронов, состав и стехиометрия оксида металла, а также вакансии, присутствующие в оксидах металлов, являются важными факторами для реакции выделения кислорода.Также важны геометрические факторы в решетке катализатора.
Как работает каталитический нейтрализатор?
Ответ: С 1975 года каждый автомобиль, произведенный в Соединенных Штатах, должен иметь каталитический нейтрализатор. Каталитический нейтрализатор отвечает за контроль вредных выбросов вашего автомобиля. Он расположен в нижней части вашего автомобиля, сразу за двигателем. Разбив его название, мы можем точно проанализировать его функцию. Каталитические преобразователи содержат вещества или соединения, такие как платина, родий или палладий, которые действуют как катализаторы и преобразователи.Соединения действуют как катализаторы, поскольку вызывают химическую реакцию, но не меняют своей первоначальной формы. Эти соединения также действуют как преобразователи, поскольку они вступают в реакцию и преобразуют вредные газы, такие как окись углерода, углеводороды и оксиды азота, производимые вашим двигателем. Это преобразование в менее вредные газы происходит до того, как они выходят из вашей выхлопной системы в воздух. Каталитические нейтрализаторы содержат сотовые (покрытые крошечными порами) структуры, покрытые платиной, родием или палладием в зависимости от стадии катализатора.Выхлопные газы двигателя проходят через сотовые конструкции с покрытием и вступают в реакцию с соединениями. Выбросы проходят через две разные стадии катализатора: катализатор восстановления и катализатор окисления. На первой стадии катализатора (катализатор восстановления) оксиды азота реагируют с сотовой структурой, покрытой платиной и родием. Когда эти вредные оксиды азота реагируют с катализаторами (платина и родий), катализаторы удаляют молекулу азота, удерживают ее и высвобождают молекулы кислорода.Затем оставшиеся молекулы азота соединятся с другими молекулами азота и выйдут через выхлопную систему. На этом этапе вредные газы оксидов азота превращаются в безвредные газы кислорода и азота. На второй стадии катализатора (катализатор окисления) окисляются окись углерода и углеводороды. Это означает, что молекулы кислорода будут реагировать с молекулами монооксида углерода и углеводородов. Эти вещества проходят через сотовую структуру, покрытую платиной и палладием, которая действует как катализатор и способствует реакции.На этом этапе очень вредные угарный газ и углеводородные газы преобразуются в менее вредные углекислые газы и пары воды. Каталитические преобразователи также работают рука об руку с системой управления. Эта система управления управляет системой впрыска топлива и контролирует выбросы, покидающие двигатель, до того, как они попадут в каталитический нейтрализатор. Он также содержит кислородный датчик, который определяет, сколько кислорода поступает в выхлопную систему. Датчик кислорода контролирует количество кислорода и сообщает системе впрыска топлива, что нужно увеличить или уменьшить количество кислорода, используемого в топливно-воздушной смеси, используемой для питания двигателя.Датчик также следит за тем, чтобы в выхлопной системе было достаточно кислорода для использования каталитическим нейтрализатором на стадии катализатора окисления.
Каталитические преобразователи | Давайте поговорим о науке
Есть ли у вас друзья, которые готовятся к экзамену по вождению? Или, может быть, вы тот, кто усвоил правила дорожного движения. Но как много вы на самом деле знаете о своей машине? Например, вы говорили, что благородные металлы помогают очищать выхлоп двигателя?
Предупреждение о неправильном представлении
Благородные металлы и драгоценные металлы — это не одно и то же.Драгоценные металлы имеют высокую денежную ценность. Благородные металлы обладают высокой устойчивостью к коррозии и окислению. Однако некоторые драгоценные металлы также относятся к благородным металлам.
Что выходит из выхлопной трубы автомобиля?
Выхлоп автомобилей также называют выхлопными газами автомобилей. В нем много веществ. Некоторые из них более вредны, чем другие.
В двигателе вашего автомобиля, вероятно, в качестве топлива используется бензин . Бензин — это углеводород . Ваш автомобиль смешивает это топливо с воздухом перед тем, как сжечь его.Этот процесс называется сжиганием и дает множество побочных химических продуктов.
Некоторые из этих побочных продуктов совершенно безопасны. Например, воздух на 78% состоит из газообразного азота (N ₂). Часть этого азота реагирует с кислородом во время горения. Однако большая его часть попадает в выхлоп двигателя под номером N ₂. Выхлоп двигателя также включает воду (H ₂ O). Зимой вы часто будете видеть, как из выхлопных труб капает вода.
Двигатели автомобилей также выделяют много вредных веществ.Некоторые из них могут вызвать кислотное осаждение. Это касается диоксида углерода (CO ₂), оксидов азота (NO _x) и оксидов серы .
Другие выбросы от транспортных средств могут вызвать проблемы со здоровьем, такие как сердечно-сосудистые заболевания и рак. Так обстоит дело с несгоревшими углеводородами, твердыми частицами (частицами углерода) и летучими органическими соединениями (ЛОС) .
Автомобильные двигатели также выделяют окиси углерода (CO) .Этот ядовитый газ может заменить кислород в вашем кровотоке. Если вы вдыхаете его достаточно, он может даже задохнуться!
Звучит очень опасно, не так ли? К счастью, каталитические нейтрализаторы помогают снизить вредные выбросы двигателя. Вот как.
Что такое каталитический нейтрализатор?
Каталитический нейтрализатор был изобретен около 1950 года Эженом Удри. Он был французским инженером-механиком. Он разработал каталитический нейтрализатор для очистки выхлопных газов автомобилей.
Каталитические нейтрализаторы начали широко использовать примерно в 1975 году. В то время правительства начали попытки уменьшить загрязнение воздуха от автомобилей. Но тогда многие автомобили использовали этилированный бензин. Свинец (Pb) может препятствовать нормальной работе каталитического нейтрализатора. Это потому, что свинец может покрывать поверхность, которая обычно вступает в реакцию с выхлопными газами.
Знаете ли вы?
Представьте, что вы использовали одинаковое количество топлива в внедорожнике с каталитическим нейтрализатором и в газонокосилке без него.Газонокосилка будет выделять примерно в 100 раз больше загрязняющих веществ!
Как работают каталитические нейтрализаторы?
На автомобиле каталитический нейтрализатор прикреплен к выхлопной трубе. Металлический корпус содержит керамические соты. Соты покрыты смесью платины (Pt), палладия (Pd) и родия (Rh). Эти благородные металлы хорошо сопротивляются окислению, коррозии и кислоте. Это означает, что они могут противостоять плохой погоде и всем химическим веществам, выделяемым автомобильным двигателем.
Благородные металлы в каталитических нейтрализаторах действуют как катализаторы .Катализаторы — это соединения , которые могут запускать химическую реакцию, не будучи затронутыми ими. Сотовая структура внутри каталитического нейтрализатора увеличивает площадь поверхности, на которой могут происходить реакции.
Каталитические преобразователи используют в качестве катализаторов такие элементы, как платина (Pt), палладий (Pd) и родий (Rh) (Давайте поговорим о науке с использованием фотографий Periodictableru [CC BY], Изображения химических элементов в высоком разрешении [CC BY и Alchemist-hp ( talk) www.pse-mendelejew Производная работа: Purpy Pupple [CC BY-SA 3.0] Wikimedia Commons (Pt, Pd, Rh)).
Знаете ли вы?
Сегодня около 98% всех продаваемых в мире новых автомобилей содержат каталитический нейтрализатор.
Какие химические реакции происходят в катализаторе?
Каталитические нейтрализаторы
используют реакции восстановления и окисления (окислительно-восстановительные) для уменьшения вредных выбросов.
Они используют катализатор восстановления , состоящий из платины и родия. Он помогает уменьшить количество оксидов азота (NO _x), удаляя атомы азота из молекул оксида азота (NO и NO ₂).Это позволяет свободному кислороду образовывать газообразный кислород (O ₂). Затем атомы азота, прикрепленные к катализатору, вступают в реакцию друг с другом. В результате этой реакции образуется газообразный азот (N ₂).
Реакции восстановления азотной кислоты и диоксида азота (© Let’s Talk Science, 2019).
Изображение — текстовая версия
Азотная кислота и диоксид азота восстанавливаются с образованием газообразного азота и газообразного кислорода.
В каталитических нейтрализаторах
также используется окислительный катализатор , состоящий из платины или палладия.Это помогает снизить содержание углеводородов (HC) и оксида углерода (CO). Начнем с того, что окись углерода и кислород соединяются с образованием двуокиси углерода (CO2). Затем несгоревшие углеводороды и кислород объединяются с образованием диоксида углерода и воды.
Реакции окисления монооксида углерода и несгоревших углеводородов (© Let’s Talk Science, 2019).
Изображение — текстовая версия
Окись углерода и кислород соединяются с образованием двуокиси углерода. Несгоревшие углеводороды и кислород соединяются с образованием диоксида углерода и воды.
В современных каталитических нейтрализаторах также используются датчики кислорода . Иногда их называют лямбда-датчиками. Они контролируют, сколько дополнительного кислорода закачивается в выхлопной поток. Поддержание правильного количества кислорода делает реакции восстановления и окисления более эффективными.
Знаете ли вы?
Двигатель автомобиля производит наибольшее количество загрязняющих веществ сразу после его включения. Это потому, что каталитическим нейтрализаторам может потребоваться несколько минут, чтобы сработать.Это отличный повод прогуляться, если вам нужно проехать лишь небольшое расстояние!
Исследователи изучают, можно ли использовать золото в каталитических нейтрализаторах. Это может показаться дорогим. Но на самом деле золото дешевле многих других благородных металлов. И это еще не все! Фактически, в ближайшие пару десятилетий у нас могут закончиться такие металлы, как платина. В некоторых местах люди даже воруют каталитические нейтрализаторы, чтобы добраться до драгоценных благородных металлов внутри!
.