Hoe de methaanvervuiling door gasmotoren drastisch kan worden teruggedrongen

Er is een manier gedemonstreerd om methaan te verwijderen bij de uitlaat van motoren die aardgas verbranden. Enkele palladiumatomen kunnen bij lage temperaturen 90% van het onverbrande methaan uit de uitlaatgassen verwijderen, zo melden de onderzoekers in het tijdschrift Nature Catalysis.

Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Washington State University toonden aan dat de katalysator methaan uit de motoruitlaat verwijderde bij zowel de lagere temperaturen waar motoren starten als de hogere temperaturen waar ze het meest efficiënt werken, maar waar katalysatoren vaak kapot gaan.

“De vooruitgang in katalyse met enkelvoudige atomen is bijna een zelfmodulerend proces dat op wonderbaarlijke wijze de uitdagingen overwint waarmee mensen hebben gevochten – inactiviteit bij lage temperaturen en instabiliteit bij hoge temperaturen”, zegt hoofdauteur Yong Wang.

Opstartproblemen

Motoren die op aardgas lopen drijven wereldwijd 30 miljoen tot 40 miljoen voertuigen aan en zijn populair in Europa en Azië. De aardgasindustrie gebruikt ze ook om compressoren aan te drijven die gas naar de huizen van mensen pompen. Ze worden over het algemeen als schoner beschouwd dan benzine- of dieselmotoren, omdat ze minder koolstof- en deeltjesvervuiling veroorzaken.

Wanneer aardgasmotoren opstarten, stoten ze echter onverbrand, warmtevasthoudend methaan uit omdat hun katalysatoren niet goed werken bij lage temperaturen. De huidige katalysatoren voor methaanverwijdering zijn ofwel inefficiënt bij lagere uitlaattemperaturen of ze gaan ernstig achteruit bij hogere temperaturen.

Onverwachte hulp van een medevervuiler

In hun werk toonden de onderzoekers aan dat hun katalysator gemaakt van enkele palladiumatomen op een drager van ceriumoxide efficiënt methaan uit de motoruitlaat verwijderde, zelfs als de motor net startte.

Ze ontdekten ook dat sporen van koolmonoxide die altijd aanwezig zijn in motoruitlaatgassen een sleutelrol speelden bij het dynamisch vormen van actieve plaatsen voor de reactie bij kamertemperatuur. Het koolmonoxide hielp de enkele palladiumatomen migreren om clusters van twee of drie atomen te vormen die de methaanmoleculen bij lage temperaturen efficiënt uit elkaar halen. Toen de uitlaattemperaturen toenam, braken de clusters uiteen in enkele atomen en verspreidden ze zich opnieuw, zodat de katalysator thermisch stabiel was.

Dit omkeerbare proces stelde de katalysator in staat om effectief te werken en verbruikte elk palladiumatoom de hele tijd dat de motor draaide – ook wanneer deze koud startte.