日本成功觀測到汽車尾氣凈化催化劑的原子級別動作

科技 09-02

日本名古屋大學、豐田汽車及日本電子組成的研發小組，組合使用超高壓掃描透射電子顯微鏡和四極桿質譜儀（QMS），在原子水平上記錄了汽車尾氣凈化催化劑的氧化還原反應狀態，同時，還首次實時檢測到了通過催化反應生成和轉換的氣體。

研發小組著眼於難以凈化的一氧化氮（NO）的分解和凈化，在原子水平上實時記錄了銠（Rh）納米顆粒在NO氣體的催化反應過程中發生的結構變化，同時開發了通過質譜法同步檢測氣體的實際分解和生成的新裝置。具體做法是，將可在反應氣體中進行觀察的超高壓電子顯微鏡和高靈敏度質譜儀相結合（圖1），克服了傳統環境電子顯微鏡在觀察時的缺點，觀測到了實際發生的化學反應，同時還能追蹤物質結構的變化。該方法有望用於其他反應，對今後催化劑的開發可作出巨大貢獻。

圖1：（左）此次開發的RS-HVSTEM-QMS系統示意圖
（右）實際裝置照片

在催化劑幾乎不起作用的200℃以下溫度環境中，NO氣體中（本實驗使用的氣體為99％Ne-1％NO，試料附近的氣體壓力為30Pa）的 Rh 微顆粒表面包覆有一層氧化膜。隨著溫度上升，Rh表面發生還原反應，氧化膜層的厚度會變薄。溫度達到約300℃以上之後，在QMS內同時捕捉到了NO的消耗和N2的生成。

此時，在Rh微顆粒表面的平坦晶面上，氧化膜層會反覆生成和消失，而且在相鄰的低階晶面連接的邊緣部分，能觀察到原子序列的激烈運動（圖2）。每次溫度升高都會促進催化反應生成和消耗反應氣體，並捕捉氣體生成達到穩定狀態的狀況（圖3），通過初始反應速度的阿倫尼烏斯方程，可以評測伴隨NO氣體分解及N2氣體生成產生的活化能。實際計算出來的反應活化能，比通過NO的直接化學鍵裂解進行分解所需的能量小一位數。