Fabbricazione e collaudo di aerogel catalitico preparato tramite rapida estrazione supercritica

Gli aerogel di silice e allumina-based hanno notevoli proprietà, tra cui densità bassa, alta porosità, alta area superficiale, buona stabilità termica e bassa conducibilità termica¹. Queste caratteristiche rendono i materiali aerogel attraente per una varietà di applicazioni^1,2. Una applicazione che sfrutta la stabilità termica ed elevata area superficiale dell’aerogel è catalisi eterogenea; vari articoli esaminano la letteratura in questa zona^2,3,4,5. Esistono molti approcci alla fabbricazione di catalizzatori a base di aerogel, tra cui incorporazione o allettamento di specie catalitica nel quadro di un silice o allumina aerogel^{5,6,7, 8,9,10,11}. Il presente lavoro si concentra sui protocolli per la preparazione tramite rapida estrazione supercritica (RSCE) e prove catalitiche dei materiali aerogel per la mitigazione dell’inquinamento automobilistico e utilizza rame-contenente aerogel come esempi.

Catalizzatori a tre vie (TWC sono) sono comunemente impiegati nelle apparecchiature di mitigazione dell’inquinamento per benzina motori¹². TWC sono moderni contenga platino, Palladio e/o rodio, metalli del gruppo del platino (PGM) che sono rare e, di conseguenza, costosi e ambientalmente costoso da ottenere. Materiali catalizzatori basati su metalli più facilmente disponibili avrebbe significativi vantaggi economici e ambientali.

Gli aerogel possono essere preparati da bagnato Gel utilizzando una varietà di metodi¹. L’obiettivo è quello di evitare il collasso dei pori come solvente è rimosso dal gel. Il processo impiegato in questo protocollo è un metodo di estrazione supercritica rapida (RSCE) in cui l’estrazione si verifica da un gel confinato all’interno di uno stampo di metallo in una Pressa oleodinamica a caldo programmabile^{13,14,15, 16}. L’uso di questo processo RSCE per la fabbricazione di monoliti di aerogel di silice è stata dimostrata in precedenza in un protocollo¹⁷, in cui il tempo di preparazione relativamente breve connesso con questo approccio è stato sottolineato. Supercritica CO₂ estrazione è un approccio più comune, ma richiede più tempo e maggiore utilizzo di solventi (comprese le CO₂) rispetto RSCE. Altri gruppi hanno recentemente pubblicato i protocolli per la preparazione di una varietà di tipi di aerogel che utilizzano supercritici CO₂ estrazione^18,19,20.

Qui, protocolli per fabbricare e cataliticamente testing di una varietà di tipi di aerogel catalitici contenenti rame sono presentati. Basato sulla riduzione di NO e CO ossidazione attività classifica dei catalizzatori di metalli di base supportate da carbonio sotto condizioni di interesse alla mitigazione dell’inquinamento automobilistico fornito da Metz et al. ²¹, rame è stato selezionato come il metallo catalitico per questo lavoro. Approcci di fabbricazione includono (a) impregnazione (IMP) di sali di rame in allumina o silice gel bagnato¹¹, (b) utilizzo di sali di alluminio e rame (II) come co-precursori (Co-P) quando fabbricando gli aerogel di allumina rame^6,22, e (c) intrappolare rame-contenente nanoparticelle in una matrice di aerogel di silice durante la fabbricazione¹⁰. In ogni caso, un metodo RSCE viene utilizzato per la rimozione del solvente dai pori del bagnato gel matrice^13,14,15.

Un protocollo per la valutazione dell’idoneità di questi materiali come TWC sono per la mitigazione dell’inquinamento automobilistico, utilizzando il Testbed catalitica dell’Unione (UCAT)²³, inoltre è presentato. Lo scopo del sistema UCAT, parti principali di cui sono schematicamente in Figura 1, è quello di simulare la chimica, termica e sperimentate in un convertitore catalitico a motore benzina tipiche condizioni di flusso. Funzioni UCAT passando una miscela di scarico simulato su un campione di aerogel ad un tasso di flusso e temperatura controllato. Il campione di aerogel viene caricato in un flusso di 2,25 cm-diametro base imballata tubolare cellula (sezione di test““), che contiene il campione tra i due schermi. La cella di flusso caricato viene inserita in un forno per il controllo del gas di scarico, temperatura del catalizzatore e campioni di gas di scarico trattata (cioè scarico attraversato nella base imballata) e gas non trattati (cioè bypassando nella base imballata) vengono esaminate a una gamma di temperature fino a 700 ˚C. Le concentrazioni delle tre principali inquinanti – CO, NO, e gli idrocarburi incombusti (HCs) – sono misurati utilizzando un analizzatore di gas di cinque dopo essere stati trattati per il catalizzatore di aerogel e, separatamente, in un non trattato flusso (by-pass““); da questi dati viene calcolata la conversione percentuale ““ per ciascun inquinante. Per il test descritto nel presente documento, si fondono uno scarico commercialmente disponibile, basse emissioni Bureau California di riparazione automobilistica (BAR) 97 blend è stato impiegato. Dettagli completi di UCAT‘s design e funzionamento sono presentati in Bruno et al.²³

Figura 1. Sezione Test UCAT e sistemi di campionamento. Ristampato con il permesso dal 2016-01-0920 (Bruno et al. ²³), copyright 2016 SAE International. Ulteriore distribuzione di questo materiale non è consentito senza previa autorizzazione da SAE. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.