معرفی گرافن در تکنولوژی Catalytic Converter

مبدل های کاتالیزور صنعتی اجزای ضروری در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای از وسایل نقلیه و فرآیندهای صنعتی هستند. Stricter Environmental Regulation در سراسر جهان تحقیقات را به مواد پیشرفته ای که می تواند بهره وری مبدل را افزایش دهد، در میان این موارد، : 0 ] به عنوان یک ماده تحول یافته به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن ظهور کرده است.

آشنایی با ویژگی های منحصر به فرد گرافن

گرافن یک ورق دو بعدی از اتم های کربن است که در یک شبکه هگزااگونال در آن تنظیم شده است، این ماده نازک هنوز دارای خواص قابل توجه است:

  • منطقه سطح استثنایی: یک گرم گرافن می تواند یک منطقه را به اندازه یک میدان فوتبال پوشش دهد، ارائه سایت های فعال بزرگ برای واکنش های کاتالیزوری.
  • هدایت الکتریکی بالا: الکترون ها با سرعت نزدیک شدن به سرعت نور، حرکت از طریق گرافن در سرعت نزدیک شدن به سرعت نور، افزایش انتقال شارژ در فرآیندهای کاتالیتیک.
  • قدرت مکانیکی سوپریور (superior) : گرافن حدود 200 برابر قوی تر از فولاد است و استحکام ساختاری را ارائه می دهد.
  • هدایت مستقیم؛ آن را تا 10 برابر سریعتر از مس، برای مدیریت واکنش های بیرونی در مبدلها، حرارت می دهد.

این ویژگی ها گرافن را یک ماده پشتیبانی نزدیک به ایده آل برای کاتالیزورهای فلزی مانند پلاتین، پالادیوم و rhodium می سازند که معمولا در مبدل های کاتالیزور صنعتی استفاده می شود.

چگونه مبدل های Catalytic کار می کنند

مبدل های کاتالیتیک از کاتالیزورهای فلزی نجیب برای سرعت بخشیدن به اکسیداسیون و کاهش واکنش هایی که گازهای اگزوز سمی را به مواد کمتر مضر تبدیل می کنند استفاده می کنند:

  1. کاهش مونوکسید کربن (CO) به دی اکسید کربن (CO2)
  2. [[۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] [۲]] [۲]] [۲] [۲]] [۲]] [۲]]
  3. کاهش اکسید نیتروژن (NOx) به نیتروژن (N2) و اکسیژن (O2)

بهره وری این واکنش ها به شدت به سطح کاتالیزور، پراکندگی و ثبات حرارتی بستگی دارد.حمایت های سنتی مانند آلومینا یا ceria می توانند در طول زمان به دلیل ناراحتی یا مسمومیت، که منجر به کاهش عملکرد می شود، کاهش یابند.

گرافن به عنوان یک پشتیبانی کاتالیزور

یکی از امیدوار کننده ترین کاربردهای گرافن در مبدل های کاتالیزوری به عنوان یک ماده پشتیبانی برای نانوذرات فلزی نجیب است. مساحت سطح بزرگ گرافن اجازه می دهد تا برای بارگیری ذرات کاتالیزور بالا در حالی که جلوگیری از جذب شدن است، این از طریق تعاملات قوی بین سیستم π-الکترونیک و اتم های فلزی به دست می آید.

مطالعات نشان داده اند که کاتالیزورهای پلاتینی که از گرافن حمایت شده اند، در مقایسه با پشتیبانی های معمول، 40 درصد فعالیت بالاتری در اکسیداسیون CO نشان می دهند.

  • پراکندگی جهانی: گروه های عملکردی گرافن (به عنوان مثال، بیکل، هیدروکسیل) به عنوان نقاط لنگر عمل می کنند، نگه داشتن نانوذرات جدا شده است.
  • اثرات الکترونیکی: انتقال شارژ بین گرافن و ذرات فلزی ساختار الکترونیکی را اصلاح می کند، و موانع انرژی فعال را کاهش می دهد.
  • [FLT: 1] کاتالیز (Synergistic catalysis: گرافن خود می تواند در چرخه های کاتالیتیک، به ویژه برای واکنش های کاهش اکسیژن شرکت کند.

گرافن اکسید و کاهش گرافن اکسید

اکسید گرافن (GO) و کاهش اکسید گرافن (rGO) معمولاً در برنامه های کاتالیتیک به دلیل سهولت سنتز آنها در محلول استفاده می شود. GO شامل عملکردهای اکسیژن است که پراکندگی در رسانه های aqueous را بهبود می بخشد، و آن را آسان تر از ذرات تبدیل فلز رسوب می کند. سوquent کاهش هدایت و افزایش فعالیت کاتالیزور کاتالیزور در [F0] ارتباطات [x] است که در نزدیکی ذرات فعال کننده نور ثابت شده است.

تاثیر بر پراکندگی کاتالیزور

یک چالش عمده در طراحی مبدل کاتالیزوری، حفظ پراکندگی بالا از فلزات نجیب گران قیمت در طول زمان بدون پشتیبانی مناسب، نانوذرات مهاجرت و زغال سنگ (sinter) به ذرات بزرگتر، به شدت کاهش سطح انرژی و عملکرد شیمیایی گرافن به طور موثر تثبیت نانوذرات، عقب نشینی گناه حتی در دما بالا (400-600 درجه سانتیگراد).

آزمایشات نشان داده اند که نانوذرات پلاتین در گرافن از حفظ اندازه خود در زیر 3 نانومتر پس از دوچرخه سواری حرارتی طولانی حمایت می کنند، در حالی که در آلومینا آنها به 10-15 نانومتر رشد می کنند، این حفظ منطقه فعال سطح به طور مستقیم به طول عمر مبدل طولانی تر و کاهش بارگیری فلز گرانبها، کاهش هزینه ها.

افزایش فعال سطح

سطح فعال یک مبدل کاتالیزوری نه تنها منطقه هندسی پشتیبانی بلکه سطح قابل دسترس ذرات کاتالیزور است. گرافن ساختار بسیار نازک تضمین می کند که تقریبا تمام اتم های فلزی رسوب شده در معرض واکنش نشان دهنده هستند.این در مقایسه با حمایت متخلخل است که برخی از کاتالیزور ممکن است در میکروله های قابل دسترس برای مولکول های گاز بزرگ به دام افتاده است.

علاوه بر این، گرافن می تواند به معماری سه بعدی مانند آئروگل یا فوم مهندسی شود تا منطقه سطح را به حداکثر برساند در حالی که اجازه می دهد جریان گاز کارآمد را افزایش دهد. مطالعه ای که در ] کاتالیز کاتیکز (FLT:1) منتشر شده است، گزارش داد که شبکه های گرافن 3D بارگیری شده با نانوذرات rhodium یک فرکانس گردش مالی بالاتر برای کاهش معمولی به مونوریت.

مدیریت حرارتی و ثبات

مبدل های کاتالیتیک تحت نوسانات دمای گسترده عمل می کنند، از سرد تا شرایط پر بار، گرمای بیش از حد می تواند باعث ایجاد ناهنجاری کاتالیزور و تخریب حرارتی استثنایی گرافن (حدود 5000 W / m) برای اولین گرافن تک لایه تک لایه های تک لایه) سرعت گسترش گرما، کاهش نقاط گرم محلی که سرعت پیری را افزایش می دهند.

در کامپوزیت های گرافن-ceramic، هدایت حرارتی از روکش شستشو تا 30٪ افزایش می یابد، که منجر به توزیع دمای یکنواخت بیشتر می شود، این نه تنها کاتالیزور را محافظت می کند بلکه عملکرد نور خاموش را در طول شروع سرد بهبود می بخشد، یک مرحله بحرانی که در آن اکثر انتشار گازهای گلخانه ای رخ می دهد.

حفاظت در برابر مسمومیت

مسمومیت کاتالیزور توسط گوگرد، فسفر یا ترکیبات سیلیکون یک علت عمده از غیرفعال کردن مبدل های صنعتی است. گرافن می تواند به طور انتخابی به سموم متصل شود، جلوگیری از دستیابی به سایت های فعال از کاتالیزور (F: 80٪ پردازش) پس از قرار گرفتن در معرض گاز گوگرد، گروه های عملکردی در گرافن می توانند به طور انتخابی به سموم متصل شوند، جلوگیری از دستیابی به سایت های فعال.

مسیر های تحقیقاتی فعلی

چندین رویکرد برای ادغام گرافن به مبدل های کاتالیزور تجاری مورد بررسی قرار می گیرد:

  • اصلاح شستشوی پارچه ای: اضافه کردن مقدار کمی گرافن به کرۀ موجود، باعث بهبود چسبندگی و خواص حرارتی می شود.
  • رشد مستقیم بر بسترها: رسوب بخار شیمیایی (CVD) می تواند گرافن را به طور مستقیم در monolith سرامیک تولید کند، هر چند مقیاس همچنان به چالش می کشد.
  • Graphene-metal هیبریدی: ساختارهای پوسته هسته ای که در آن نانو ذرات فلزی با لایه های گرافن پوشانده شده اند، از پوسیدگی و مسمومیت به طور همزمان جلوگیری می کنند.
  • دوپینگ و مهندسی نقص: مقدمه نیتروژن یا بوتون در گرافن ایجاد سایت های فعال اضافی برای کاتالیز، به طور بالقوه شریف کاهش الزامات فلزی.

به طور قابل توجهی، یک تیم در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در حال توسعه مبدل های گرافن-ننسد است که می تواند استفاده از فلز گروه پلاتین را تا 30 تا 30 درصد کاهش دهد بدون اینکه کارایی آنها را به خطر بیاندازد، جزئیات در Proceeding آکادمی ملی علوم [LT:1]، پتانسیل صرفه جویی در هزینه های قابل توجه را برجسته می کند.

چالش ها و محدودیت ها

علی رغم نتایج آزمایشگاهی امیدوار کننده، چندین مانع قبل از مبدل های کاتالیاتیک گرافن باقی مانده اند:

  • Cost of High-quality graphene: تولید گرافن بدون نقص در مقیاس گران است. اکثر مبدل های فعلی از rGO ارزان تر استفاده می کنند که دارای نقص های بیشتر و خواص متناقض است.
  • ادغام سازی: خطوط تولید مبدل موجود برای مواد سنتی بهینه سازی شده است.
  • ثبات بلند مدت: در حالی که گرافن ثبات حرارتی را بهبود می بخشد، مقاومت اکسیداسیون آن در محیط های بسیار واکنش پذیر ( حاوی اکسیژن و بخار آب) نیاز به اعتبار بیشتر دارد.
  • نگرانی های سلامت و بهداشت: تاثیر چرخه زندگی تولید گرافن و انتشار بالقوه نانوذرات ذرات نانو در طول پیری مبدل نیاز به ارزیابی کامل دارد.

آینده چشم انداز آینده

دهه آینده احتمالاً پذیرش تدریجی گرافن در مبدل های کاتالیزوری را مشاهده خواهد کرد، با برنامه های طاقچه مانند کنترل انتشار صنعتی ثابت و وسایل نقلیه با کارایی بالا، پیشرفت در سنتز گرافن - مانند لایه برداری الکتروشیمیایی یا رشد قالب - به طور همزمان هزینه های رانندگی را تسریع می کنند.

فشارهای نظارتی، به ویژه استانداردهای یورو 7 و EPA Tier 4، یک بازار قوی برای مبدل های کارآمدتر ایجاد می کنند. توانایی گرافن برای کاهش بارگیری فلز گرانبها تا 20-40٪ در حالی که با محدودیت های شدید انتشار آن را یک راه حل جذاب اقتصادی می کند.

نتیجه گیری

گرافن یک رویکرد چند جانبه برای بهبود مبدل های کاتالیزور صنعتی ارائه می دهد: افزایش پراکندگی کاتالیزور، افزایش سطح فعال، بهبود ثبات حرارتی و مقاومت در برابر مسمومیت، در حالی که چالش های هزینه و تولید پایدار، تحقیقات مداوم و توسعه به طور پیوسته بر این موانع غلبه می کند. ادغام گرافن به فن آوری مبدل کاتالیزوری نشان دهنده یک گام قابل توجه به سمت فرایندهای صنعتی و انتشار گازهای گلخانه ای، کمک به بهبود تلاش های زیست محیطی و بهبود کیفیت هوا است.