更凉爽的催化转化器-更清洁的空气

时间:2020-04-26 15:16 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

更凉爽的催化转化器-更清洁的空气

作为全球数百万人的生活受到扰乱社会距离措施应对COVID-19流行在2020年初,一个意想不到的好消息浮出水面:大城市的空气污染水平已经下降了50%减少由于全球旅行,制造业和建筑业。最显著的影响出现在印度。在全球20个污染最严重的城市中,有14个位于印度。

暂时缓刑是提醒人们:现代社会的发动机运行在化石燃料的燃烧,继而释放出一种有毒的化学物质到空气中包括有毒的一氧化碳气体,挥发性有机化合物的仪器(挥发性有机化合物)像甲醛可以引起癌症,和氮氧化物和挥发性有机化合物的仪器建立臭氧发生反应,导致呼吸困难,甚至过早的死亡。世界卫生组织(World Health Organization)估计,每年有700万人死于空气污染,而绿色和平组织(Greenpeace)东南亚分部(Southeast Asia)的报告称,空气污染每年给世界带来数万亿美元的医疗成本。

污染空气的问题并不是一个新问题:甚至燃烧木材也会释放有毒化学物质,吸入这些物质会导致健康问题。但在工业革命期间,制造业的爆炸式发展导致了前所未有的空气污染水平。在整个20世纪初,空气污染基本上没有得到控制,而燃油汽车的广泛使用更是加剧了这种情况。直到20世纪50年代,机械工程师尤金?霍德利(Eugene Houdry)发明了第一台催化转化器,以解决令洛杉矶和其他美国城市窒息的黑色雾霾,之前还没有有效的方法来清除废气中的污染物。

催化转换器利用一种催化剂,通常是一种昂贵的金属,如铂或钯,来加速氧气和空气中的污染物之间的化学反应,将它们转化为毒性较小的副产品,如水蒸气、二氧化碳和氮气。通过一个涂有催化剂的金属外壳排出废气,可以清除98%的污染物。自上世纪70年代以来,要求在汽车和烟囱上安装催化转换器的规定极大地改善了世界各地城市的空气质量。

微小的结构,巨大的冲击

要解决这个多方面的问题,必须在降低催化转化器成本的同时又不影响其性能之间取得微妙的平衡,而且还必须具备足够的灵活性,以便从废气中去除多种不同的物质。在怀斯中心成员乔安娜·艾森伯格的实验室工作时,怀斯中心的前研究员坦尼娅·舍曼博士和伊利亚·舍曼博士发现,大自然在数百万年前就创造了这样一个答案,而这个答案从那时起就一直隐藏在我们的视线中:蝴蝶的翅膀。

在显微镜下观察蝴蝶翅膀的表面,你会发现它有一个多孔的、坚硬的结构,这赋予了翅膀独特的物理特性,包括颜色、耐水性、稳定性和温度控制。舍曼夫妇意识到,他们可以模仿这种纳米级的结构,创建一个可定制的催化剂支架,使他们能够控制一切,从催化纳米颗粒的组成、大小、位置到支架的形状和图案。

“今天催化转换器有三个主要问题:他们是昂贵的,因为贵金属,他们是低效的,因为很多催化剂从未接触空气的清洁,和催化剂只工作在一个特定的温度范围,所以在汽车或工厂的升温,“他们只是喷出污染不清洗,“谭雅Shirman说,他现在在Metalmark材料设计副总裁。“现在,你需要开发单独的材料来解决成本、性能和温度稳定性的问题,但我们的技术可以同时解决这三个问题。”

该团队已经创建了一个原型,在这个原型中,催化剂的纳米颗粒被精确地放置在蜂巢状的有机胶体支架上,以确保所有催化剂都暴露在废气中,减少浪费并产生更有效的清洁。它还可以在比典型催化转化器更低的温度下有效工作,减少“冷”发动机排放的污染和能源消耗。重要的是,该系统被设计成无缝集成到现有的催化转化器生产过程。因为70-90%的制造成本来自于购买催化剂金属,简单地切换到舍曼的设计可以使生产更便宜的催化转换器,使空气净化更负担得起,并希望造成更少的盗窃。

从实验室到发电厂

更凉爽的催化转化器-更清洁的空气

2016年,舍曼夫妇首次在实验室中测试了他们的想法,并能够证明他们的系统产生了一种非常活跃和稳定的催化剂。但是他们的样本只有大约50毫克(大约1茶匙的百分之一),他们知道他们必须在更大的范围内测试,以证明它可以在真正的催化转换器上工作。他们在2017年将自己的项目提交给了哈佛校长的创新挑战赛,并获得了第二名,这让他们相信,该项目有潜力在商业和技术上取得成功。同年,他们申请并被威斯研究所(Wyss Institute)接受为验证项目,并在接下来的两年里致力于优化和扩展他们的技术。

上个月,这个团队又迈出了一大步,他们的目标是创建一家名为Metalmark的初创公司,让更清洁的空气成为现实。他们最近的原型最近被一个专门的国家实验室验证,现在正在被一个工业伙伴测试。

“学术实验室开发的大多数新材料从未进入市场,因为它们在小范围内运行得非常好,但在大规模生产它们的同时,仍然保持它们的功能是非常困难和昂贵的。”我们从零开始,从一个想法开始这个项目,在短短几年内,它几乎可以在一个巨大的发电厂净化大量的空气,”Elijah Shirman说,他现在是Metalmark的技术副总裁。

除了大型发电厂和汽车外,该团队还将目光投向了将他们的技术应用于室内空气净化的家庭、办公室和其他建筑。室内空气提供了自己独特的挑战:污染物急剧变化的类型和数量房屋建筑,它需要大量的能量来加热空气温度,当前催化剂可以工作,随后将其冷却到一个舒适的水平。但谢尔曼夫妇相信,只要再进行一些工程调整,他们的技术就能达到这个目标。

“这个平台非常灵活,可以让我们快速解决空气净化方面可能出现的具体问题。例如,它可以配备抗病毒性能,过滤空气中的病毒颗粒,这将有助于减少医院的感染,并可在未来的大流行期间用于帮助拯救生命,”Tanya Shirman说。

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