观察三元催化剂中的储氧动力学

鉴于车辆污染物导致空气质量下降，全球各国政府正在制定更严格的汽车排放法规。这就需要开发更高效的废气后处理系统，即在废气排放到大气中之前“清洁”废气的系统。

处理以汽油为燃料的内燃机废气排放的最常见方式是三效催化剂 (TWC) 或催化转化器。TWC 通常包含活性金属，例如铂 (Pt) 和钯 (Pd) 纳米颗粒以及具有高比表面积的储氧材料，例如 CeO 2 -ZrO 2 (CZ) 的固溶体。这些成分可以催化多种氧化和还原反应，将汽车发动机的有害废气转化为无害气体。

TWC 的耐用性、精度和性能取决于多种因素，例如储氧材料的整体和表面储存或去除的氧气。因此，有必要清楚地了解储存材料的氧气传输和动力学，以提高其效率。不幸的是，缺乏可以直接跟踪 TWC 中氧气储存过程的技术。

然而，在最近发表在《化学工程杂志》上的一项研究中，由东京工业大学 (Tokyo Tech) 助理教授 Tsuyoshi Nagasawa 领导的一组研究人员提出了解决该问题的方法。该团队开发了一种新技术，可使用同位素淬灭技术直接可视化 Pd/CZ TWC 中的储氧过程。

Nagasawa 教授解释说：“很难弄清楚 TWC 表面发生的动态相互作用，例如氧吸附/解吸和表面/体积扩散，因为它们只能从 CZ 中铈的价态变化间接估计，或者贵金属的氧化态。然而，我们的方法通过将同位素标记与反应猝灭结合起来解决了这些问题，这使我们能够通过追踪这些相互作用中涉及的18 O 同位素来研究储氧过程。”

该团队准备了一个由贵金属 Pd 和致密的 CZ 基板组成的模型 TWC，在 600 °C 下将18 O 2储存在其中，然后使用覆盖在水冷夹套中的两个氦气喷嘴对催化剂进行淬火。然后，他们使用高分辨率二次离子质谱分析18 O 在 Pd/CZ 表面和主体上的分布。

结果表明，Pd 提高了18 O 到 CZ 本体中的扩散深度，以及它的表面浓度。进一步表明，与浓度较低的 Pd 中心相比， 18 O 优先吸附在 Pd/CZ 界面。密度泛函理论计算也与这些观察结果一致。

最后，该团队通过比较18 O 分布和使用扩散方程的氧气释放/储存模拟来计算局部氧气释放/储存速率。他们发现当地的比率与传统的储氧能力测量具有可比性并且一致。

这种新的可视化过程为金属/氧材料系统中的氧气储存和释放机制提供了有用的见解，可用于进一步研究和提高用于汽车尾气处理的 TWC 的性能和效率。

“内燃机通常产生的挥发性有机化合物以及氮和碳的氧化物，如果未经处理就释放出来，不仅会导致与呼吸相关的健康问题，还会间接影响全球变暖的加速。通过我们的研究，我们希望做出贡献实现世界实现更好排放实践的使命，”Nagasawa 教授总结道。