ابوالفضل کریمی: امروزه برای تصفیه دود اگزوز خودروهای دیزلی از کاتالیزورهای پلاتینی گرانقیمت استفاده میشود، اما شیمیدانان مواد ارزانتری را کشف کردهاند که همین کار را با هزینه پایینتری نسبت به پلاتین انجام میدهند. این یافته جدید میتواند هزینه ساخت موتورهای با مصرف سوخت کارآمد را که در خودروهای بنزینی نیز به کار میروند، کاهش دهد و به خودروسازان کمک کند خود را به استاندارهای سخت‌گیرانه‌تر تولید گازهای گلخانه‌ای در خودروهای ساخت خود نزدیک کنند.
به گزارش نیچر، یک گروه تحقیقاتی در آزمایشگاه تحقیقات و توسعه جنرال‌موتورز که تحت نظر وی لی فعالیت میکند، نشان داد که اکسیدهای معمولی سنگهای معدنی پروسکایت که با فلزات استرانسیوم و پالادیوم تقویت شده‌اند، بهتر از پلاتین میتوانند خروجی اگزوز خودروهای احتراقی سوخت رقیق را تصفیه کنند. نتایج این تحقیقات در نشریه ساینس به چاپ رسیده و حق ثبت اختراع آن نیز به نام جنرال‌موتورز است.
خودروهای مجهز به این موتور معمولا با سوخت دیزل کار میکنند و با مصرف سوخت کمتر در هر کیلومتر، گازهای گلخانه‌ای کمتری منتشر میکنند؛ اما از خودروهای بنزینی گران‌ترند.
موتورهای سوخت رقیق
جیم پارک که روی کاتالیزورها و گازهای گلخانه‌ای خروجی از خودروها در آزمایشگاه ملی Oak Ridge تحقیق میکند، میگوید: «اگر بتوان پلاتین را از کاتالیزورهای دیزلی حذف کرد، در نگاه اول تفاوت چندانی در قیمت تمام شده خودروها به وجود نمیآید و این کاهش قیمت به نسبت اندازه خودروها حداکثر بین 100 تا 400 دلار خواهدبود؛ اما نکته مهم این است که این فناوری به سازندگان خودرو امکان میدهد بتوانند از موتورهای سوخت رقیق در خودروهای بنزینی استفاده کنند. این در حالی است تولیدکنندگان به دنبال بهینه‌سازی مصرف سوخت در خودروهای خود هستند و البته قانون‌گذاریهای صورت گرفته نیز در این زمینه بی تاثیر نبوده است».
لی در این باره میگوید: «ما اکنون در حال انجام آزمایش‌ها روی خودروهای واقعی هستیم. پیش‌بینی این‌که چه زمانی بتوان از این فناوری به صورت تجاری استفاده کرد، ساده نیست. اما شاید تا چند سال دیگر به این هدف دست پیدا کنیم. قسمت زیادی از هزینههای اضافی در خودروهای دیزلی، هزینه سیستمهایی است که برای تصفیه دود خروجی اگزوزها صرف میشود و این جدا از قیمت خود پلاتین مصرفی در این فرآیند است».
طبق گفته دیوید جولی از گروه شیمی لندن و سازنده کاتالیزورهای "جانسون متی" مبدلهای کاتالیزوری سه منظوره در خودورهای بنزینی که اکسیدهای نیتروژن ، مونوکسید کربن و هیدروکربنها را تصفیه میکنند، حداکثر از یک گرم فلز پلاتین استفاده میکنند، اما کاتالیزورهایی که در خودروهای دیزلی استفاده میشوند 5 تا 10 برابر این مقدار مصرف دارند. هر اونس فلز پلاتین (معادل تقریبا 31 گرم) 1580 دلار قیمت دارد؛ البته قیمت این فلز معمولا دارای نوساناتی است و دو سال پیش حتی به 2 هزار دلار هم رسیده بود.
استفاده از پلاتین لازم است، زیرا موتورهای سوخت رقیق نسبت به موتورهای معمولی با سوخت کمتر و هوای بیشتر کار میکنند. در این محیط سرشار از اکسیژن ، مبدلهای استاندارد سه منظوره هنوز هم میتوانند مقدار خروجی مونوکسید کربن را کنترل کنند، اما در تصفیه اکسیدهای نیتروژن که قسمتی از دود خودرو را تشکیل میدهند، کارایی چندانی ندارند.
در عوض یک کاتالیزور اصلاح شده در ابتدا مونوکسید نیتروژن را به دی اکسید نیتروژن تبدیل کرده و سپس آن را ذخیره میکند. هر چند دقیقه یک بار، یک پالس سرشار از سوخت از میان اگزوز عبور داده شده و دی اکسید نیتروژن را به صورت گاز نیتروژن آزاد میکند. در حقیقت پلاتین برای تبدیل مونوکسید نیتروژن به دی اکسید نیتروژن لازم است.
عدم استفاده از کاتالیزورهای پلاتینی قبلا امکان‌پذیر شده است. بسیاری از کارخانههای فروش خودرو در آمریکا باید استانداردهای سخت‌تری را در مورد اکسیدهای نیتروژن خروجی رعایت کنند و به همین دلیل از قبل تصمیم به انجام این کار گرفته‌اند، اما این کار پیچیده است و چندان هم کم هزینه نیست.
این پروسه شامل ذخیره اوره -یکی از مواد تشکیل دهنده ادرار - در خودرو میشود که به آمونیاک تجزیه شده و با اکسیدهای نیتروژن واکنش داده و نیتروژن و آب تولید میکند. البته باید توجه داشت که اوره در هوای سر منجمد میشود.
بهترین روش؟
دهها سال است که در مورد استفاده از اکسیدهای پروسکایت در کاتالیزورها تحقیق میشود، اما لی و همکارانش متوجه شدند جایگزین کردن بعضی از اتمها در پروسکایتهای لانتانیم - کبالت یا لانتانیوم - منگنزی با اتمهای استرانسیوم باعث افزایش چشمگیر کارایی این کاتالیزورها در اکسید کردن مونوکسیدکربن میشود.
علاوه بر آن با افزایش فلز نایاب پالادیوم به کاتالیزور ، این تیم تحقیقاتی توانستند از سمی شدن مواد معدنی توسط گوگردی که از اگزوزها خارج میشود جلوگیری کنند. پالادیوم اگرچه فلز نایابی است، اما 70 درصد ارزان‌تر از پلاتین است و در مجموع، این سیستم بهتر از کاتالیزورهای اکسایش دیزلی تجاری کار میکند.
لوئیس اولسن که در دانشگاه صنعتی چالمرز در گوتنبرگ سوئیس روی کاتالیزورهای سوخت موتورها تحقیق میکند، در این باره میگوید: «من هیچ چیز دیگری راندیدم که بتواند چنین قابلیت اکسایشی داشته باشد و در کاتالیزورهای پلاتینی به کار رود».
اون بیلی هم که روی کاتالیزورهای مشابهی در گروه فناوری مواد Umicore در بروکسل کار میکند، میگوید: «من 13 سال پیش روی این نوع از کاتالیزورها تحقیق می‌کردم و نتوانستم به این نتایج دست پیدا کنم».
لی میگوید راز موفقیت این کاتالیزورها استفاده از استرانسیوم است. اما این که این عنصر واقعا چه کاری انجام میدهد، مشخص نیست. او معتقد است شاید استرانسیوم به اتمهای اکسیژن کمک میکند که در حین مرحله اکسیداسیون به کاتالیزور بچسبند.
بیلی این بهبود عملکرد را شگفت‌انگیز اما فقط یکی ابزارهای بالقوه برای بهینه‌سازی مصرف سوخت میداند. اما این تا چه میزان بتوان از این تکنولوژی استفاده کرد مشخص نیست.
جولی با تائید حرف بیلی میگوید : مشکل اصلی گرفتن نتیجه از تحقیقات آزمایشگاهی و به کار بردن موفقیت آمیز آن در خودروهاست.
نظر شما