Хотя большая часть дискуссий о сокращении выбросов транспортных средств сосредоточена на электромобилях (EV), их продажи остаются низкими: на электромобили приходится всего 1% покупок автомобилей в Японии в 2021 году. стандартов в ближайшее время. Это делает повышение производительности и функциональности катализаторов очистки выхлопных газов в автомобилях с бензиновым или дизельным двигателем критическим компонентом в стремлении к углеродной нейтральности.

Почти все бензиновые или дизельные автомобили оснащены каталитическими нейтрализаторами, которые удаляют вредные углеводороды, окись углерода и окись азота и преобразовывают их в более безопасные газы, такие как азот, двуокись углерода и водяной пар. Токсичные газы проходят через сотовую структуру , покрытую катализаторами очистки выхлопных газов.

Керамика с емкостью хранения кислорода (OSC) играет решающую роль в процессе очистки. Они помогают удалять вредные газы и предотвращают укрупнение драгоценных металлов в каталитических нейтрализаторах , что ухудшает их способность к очистке.

Однако для повышения их потенциала требуется более низкая рабочая температура. Но ученые изо всех сил пытались добиться этого, поскольку снижение температуры ниже 500 ºC приводит к более медленной диффузии ионов.

Теперь исследовательская группа Высшей инженерной школы Университета Тохоку разработала оксид на основе церия-циркония (Ce-Zr) с превосходным OSC при 400 ºC, контролируя его кристаллическую структуру. OSC при 400 ºC был выше, чем у обычных материалов, в 13,5 раз, даже без катализаторов из драгоценных металлов.

«Ключом к нашему успеху стало введение небольшого количества переходных металлов, таких как железо, в оксиды на основе Ce-Zr», — сказал профессор Хитоши Такамура, руководитель исследовательской группы.

«Легирование переходными металлами» имело два заметных эффекта в оксидах. Он ускорял диффузию кислорода, облегчая образование кислородных вакансий и способствуя упорядочению катионов.

«Упорядочивание катионов приводит в порядок кристаллическую структуру и способствует легкому высвобождению кислорода», — объяснил Такамура.

Легирование железом снизило температуру упорядочения катионов, что, в свою очередь, позволило увеличить площадь поверхности оксидов на основе Ce-Zr. Это повысило их долговечность и способность очищать токсичные газы.

В будущем Такамура и его группа надеются протестировать материал, нагрузив его палладием на сотовых опорах.

Подробности исследования группы были опубликованы в Journal of Materials Chemistry A 27 сентября 2022 года, и статья была выбрана для обложки журнала.