灵感缘于蝴蝶翅膀,科学家研究出经济高效的催化转换器

蝴蝶的翅膀在纳米尺度上有一个特殊的结构,赋予它们所有的物理特性,包括颜色、耐水性和热调节。Wyss的研究人员利用这些能力来制造更便宜、更优化的催化转换器,以改善空气污染。

研究背景

2020年初,全球数百万人的生活受到COVID-19的影响,但一个意想不到的好消息浮出水面:大城市的空气污染水平已经下降了50%,缘于全球旅行、制造业和建筑业的业务减少。最显著的影响出现在印度,在地球上20个污染最严重的城市中,有14个位于印度。

空气污染的问题并不是一个新问题,甚至燃烧木材也会释放有毒化学物质,吸入这些物质会导致健康问题。直到20世纪50年代,机械工程师尤金•霍德利(Eugene Houdry)发明了第一台催化转化器,之前还没有有效的方法来清除废气中的污染物。

催化转换器利用一种催化剂,通常是一种昂贵的金属,如铂或钯来加速氧气和空气中的污染物之间的化学反应,将它们转化为毒性较小的副产品,如水蒸气、二氧化碳和氮气。

通过一个涂有催化剂的金属外壳排出废气,可以清除98%的污染物。自上世纪70年代以来,要求在汽车和烟囱上安装催化转换器的规定极大地改善了世界各地城市的空气质量。

尽管催化转换器在减少每辆汽车或工厂排放的污染方面取得了成功,但在过去50年里,地球上汽车和工业建筑数量的急剧增加导致了空气质量的整体下降。

研究过程

要解决这个多方面的问题,必须在降低催化转化器成本的同时又不影响其性能之间取得微妙的平衡,而且还必须具备足够的灵活性,以便从废气中去除多种不同的物质。

在怀斯中心成员乔安娜·艾森伯格的实验室工作时,怀斯中心的前研究员坦尼娅·舍曼博士和伊利亚·舍曼博士发现,大自然在数百万年前就创造了这样一个答案,而这个答案从那时起就一直隐藏在我们的视线中:蝴蝶的翅膀。

在显微镜下观察蝴蝶翅膀的表面,你会发现它有一个多孔的、坚硬的结构,这赋予了翅膀独特的物理特性,包括颜色、耐水性、稳定性和温度控制。

舍曼夫妇意识到,他们可以模仿这种纳米级的结构,创建一个可定制的催化剂支架,使他们能够控制一切,从催化纳米颗粒的组成、大小、位置到支架的形状和图案。

现在的催化转换器有三个主要问题:昂贵、低效、温度不稳定,需要开发单独的材料来解决成本、性能和温度稳定性的问题,但他们的技术可以同时解决这三个问题。

研究结果

蝴蝶翅膀的结构使贵金属催化剂(白色)可以战略性地放置在多孔支架(灰色)上,从而使催化反应更加高效和经济。图片来源:哈佛大​​学怀斯学院

该团队已经创建了一个原型,在这个原型中,催化剂的纳米颗粒被精确地放置在蜂巢状的有机胶体支架上,以确保所有催化剂都暴露在废气中,减少浪费并产生更有效的清洁。

它还可以在比典型催化转化器更低的温度下有效工作,减少“冷”发动机排放的污染和能源消耗。重要的是,该系统被设计成无缝集成到现有的催化转化器生产过程。

因为70-90%的制造成本来自于购买催化剂金属,简单地切换到舍曼的设计可以生产更便宜的催化转换器,使空气净化更负担得起,并希望造成更少的盗窃。

2016年,舍曼夫妇首次在实验室中测试了他们的想法,并证明他们的系统产生了一种非常活跃和稳定的催化剂。但是他们的样本只有大约50毫克,他们知道必须在更大的范围内测试,以证明它可以在真正的催化转换器上工作。

上个月这个团队又迈出了一大步,他们最近的原型最近被一个专门的国家实验室验证,现在正在被一个工业伙伴测试。除了大型发电厂和汽车外,该团队还将目光放在了将他们的技术应用到室内空气净化上,用于家庭、办公室和其他建筑物。

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