Un catalyseur à base d’oxyde de palladium nettoie les émissions et améliore la tolérance à la vapeur d’eau.
Un catalyseur nouvellement développé avec des “radeaux” uniques de taille atomique fait un meilleur travail que la technologie actuelle pour nettoyer les émissions des moteurs à gaz naturel.
La technologie du gaz naturel pourrait devenir plus propre et plus pratique pour les camions, les véhicules tout-terrain et les groupes motopropulseurs d’équipement grâce à ces recherches, qui ont été publiées dans le magazine “The World”. Nature Catalysis. Les chercheurs ont créé des “radeaux” de catalyseurs à base d’oxyde de palladium (Pd) qui sont liés entre eux par des atomes de platine uniques. Leur catalyseur nettoie le gaz naturel et rend le processus catalytique plus tolérant à la vapeur d’eau, ce qui réduit la quantité de méthane non brûlé libéré.
Bien que les moteurs au gaz naturel produisent environ 25 % de moins de dioxyde de carbone et de particules polluantes que les moteurs à essence ou diesel, ils émettent toujours du méthane non brûlé parce que leurs convertisseurs catalytiques d’échappement sont inefficaces à basse température. Il a été démontré que la nouvelle technologie fonctionne à des taux de réaction plus élevés que les technologies existantes.
“Les améliorations de l’efficacité énergétique doivent aller de pair avec les technologies de post-traitement”, a déclaré Yong Wang, professeur distingué de l’école Gene et Linda Voiland d’ingénierie chimique et de bio-ingénierie de l’université d’État de Washington. Il est également l’un des auteurs correspondants de l’article. “Actuellement, la combustion du méthane pour produire de l’électricité ne peut utiliser la technologie de combustion la plus efficace. Cela fonctionne donc, mais il est possible d’améliorer encore cette efficacité.”
Des chercheurs de la WSU et de l’Université du Nouveau-Mexique ont dirigé l’équipe, qui comprenait des partenaires des États-Unis, de l’Union européenne et de la Chine.
Les “radeaux” catalytiques d’oxyde de palladium (Pd) maintenus ensemble par des atomes uniques de platine sont efficaces pour nettoyer les émissions des moteurs à gaz naturel. Crédit : Cortland Johnson, PNNL
Bien que leur utilisation ne soit pas aussi répandue aux États-Unis, les moteurs au gaz naturel sont couramment utilisés dans les véhicules du monde entier, notamment en Chine, en Iran et en Inde. Comme ils sont moins polluants que les moteurs diesel, ils sont souvent utilisés dans les camions et les bus des zones urbaines. Les moteurs à gaz naturel sont également utilisés dans l’industrie gazière pour faire fonctionner des milliers de compresseurs qui pompent le gaz naturel jusqu’aux habitations.
Cependant, ces véhicules fonctionnant au gaz naturel émettent du méthane non brûlé parce que leurs convertisseurs catalytiques d’émissions d’échappement ne sont pas efficaces à basse température. Plus les moteurs fonctionnent efficacement et plus leur combustion est propre, plus la température des gaz d’échappement est basse et moins les catalyseurs sont efficaces pour éliminer les polluants. Le méthane non brûlé provenant du moteur, en particulier, est un puissant gaz à effet de serre qui est environ 25 fois pire que le dioxyde de carbone et contribue au changement climatique.
En outre, l’un des sous-produits de la combustion du méthane est l’eau, et les catalyseurs classiques sont “notoirement mauvais” lorsqu’il s’agit de travailler en présence d’eau, a déclaré Wang. Le carburant à combustion plus propre finit par travailler contre lui-même pour éliminer les polluants.
Par rapport aux catalyseurs généralement utilisés, composés de nanoparticules d’oxyde de Pd, les radeaux mis au point par les chercheurs offrent une meilleure tolérance à la vapeur d’eau et une réactivité accrue.
“Le platine (Pt) fortement lié peut servir de site de nucléation pour les atomes métalliques ajoutés”, a déclaré Abhaya K. Datye, professeur au département de génie chimique et biologique de l’UNM et l’un des auteurs correspondants de cette étude. “En utilisant des atomes de Pt piégés, nous avons pu démontrer la formation de radeaux bidimensionnels de Pt ainsi que d’oxyde de Pd qui modifient l’état d’oxydation et la réactivité de la phase active.”
“Nos calculs théoriques ont suggéré que le radeau ne dissocie pas facilement l’eau, inhibant ainsi l’effet négatif de l’empoisonnement de l’eau dans la catalyse de l’oxydation du méthane”, a déclaré Hua Guo, professeur au département de chimie et de biologie chimique de l’UNM.
Les chercheurs travaillent maintenant à l’amélioration de la technologie du catalyseur et espèrent pouvoir travailler avec l’industrie pour le commercialiser.
Référence : “Engineering catalyst supports to stabilize PdOx two-dimensional rafts for water-tolerant methane oxidation” par Haifeng Xiong, Deepak Kunwar, Dong Jiang, Carlos E. García-Vargas, Hengyu Li, Congcong Du, Griffin Canning, Xavier Isidro Pereira-Hernandez, Qiang Wan, Sen Lin, Stephen C. Purdy, Jeffrey T. Miller, Kevin Leung, Stanley S. Chou, Hidde H. Brongersma, Rik ter Veen, Jianyu Huang, Hua Guo, Yong Wang, et Abhaya K. Datye, 18 octobre 2021, NatureCatalyse.
DOI: 10.1038/s41929-021-00680-4
Ces travaux ont été partiellement financés par l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie, Catalysis Science Program, l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy/Vehicle Technologies Office du ministère américain de l’Énergie, l’Advanced Manufacturing Office, l’Office of Scientific Research de l’armée de l’air américaine, la Chinese National Natural Science Foundation et le NSF Engineering Research Center CISTAR.
