کاتالیزور چیست و چه کاربردی دارد

کاتالیزور چیست: کاتالیزور خودرو یک قطعه یا سیستمی است که در سیستم تعلیق خودرو نصب می‌شود و برای کاهش آلاینده‌های مضر موجود در گازهای خروجی از موتور خودرو استفاده می‌شود. عملکرد کاتالیزور خودرو : تبدیل آلاینده‌های مضری مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx)، کربن مونوکسید (CO) و هیدروکربن‌ها (HC) به ترکیبات غیرمضری مانند نیتروژن (N2)، کربن دی‌اکسید (CO2) و آب (H2O) است.
مبدل کاتالیستی از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود: کاتالیزور اکسیداسیون (Oxidation Catalyst) و کاتالیزور کاهنده نیتروژن (Three-way Catalyst).

کاتالیزور اکسیداسیون نقش اصلی خود را در اکسیداسیون کربن مونوکسید به دی‌اکسید کربن ایفا می‌کند. این فرآیند از طریق واکنش با اکسیژن از هوا انجام می‌شود.

کاتالیزور کاهنده نیتروژن وظیفه تبدیل اکسیدهای نیتروژن (NOx)، کربن مونوکسید (CO) و هیدروکربن‌ها (HC) به ترکیبات غیرمضری از جمله نیتروژن (N2)، کربن دی‌اکسید (CO2) و آب (H2O) را دارد. این نوع کاتالیزور در خودروهای سواری استفاده می‌شود.

کاتالیزور خودرو برای کاهش آلودگی هوا و بهبود کیفیت هوای اطراف ماشین‌ها بسیار مهم است و در بسیاری از کشورها نیز مورد الزام قانونی قرار گرفته است.

چه موادی در مبدل های کاتالیزوری استفاده می شود؟

مبدل و عملکرد کاتالیزور خودرو از سه قسمت مهم تشکیل شده است: هسته کاتالیزور، لایه اکسید و مواد کاتالیست سه بخش مهم این کاتالیزورها هستند که

در زیر به اختصار توضیح داده شده است.

هسته کاتالیست:

هسته کاتالیست در کاتالیزور خودرو یک قسمت مهم است که وظیفه تسریع واکنش‌های شیمیایی درون کاتالیزور را دارد. این هسته معمولاً از یک ساختار پرسلنی یا سرامیکی تشکیل شده است که به طور معمول با الماس، آلومینا، سیلیکا، یا زئولیت‌ها پوشش داده شده است.

ماده کاتالیست در هسته کاتالیست واکنش‌های شیمیایی را شروع و تسریع می‌کند. این ماده معمولاً شامل فلزات گروه پلاتین (مانند پلاتین، پالادیوم و رودیم) است که به عنوان کاتالیزور‌های عمده در کاتالیزور خودرو استفاده می‌شوند. این فلزات قادرند به شکلی ویژه با مولکول‌های گازی در تماس بوده و واکنش‌های شیمیایی را فعال کنند.

هسته کاتالیست به دلیل ساختار خاص خود و فلزات کاتالیزوری که در آن استفاده می‌شوند، سطحی بزرگ و فعال را برای واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کند. این امر بهبود عملکرد کاتالیزور و افزایش کارایی آن را ممکن می‌سازد.

لایه اکسید:

لایه اکسید یکی از اجزای کاتالیزور خودرو است که معمولاً در هسته کاتالیست موجود است. این لایه اکسید معمولاً به صورت نازکی روی سطح هسته کاتالیست قرار می‌گیرد و وظیفه ایفای نقش حفاظتی و پایه‌سازی را دارد.

وظیفه اصلی لایه اکسید در کاتالیزور خودرو عبارت است از:

1. حفاظت هسته کاتالیست:

لایه اکسید به عنوان یک لایه محافظ برای هسته کاتالیست عمل می‌کند و از آسیب دیدن هسته کاتالیست در مقابل شرایط سخت مانند دما بالا، تغییرات حرارتی و عوامل شیمیایی جلوگیری می‌کند.

2. پایه‌سازی:

لایه اکسید کمک می‌کند تا هسته کاتالیست به صورت یکپارچه و استوار در ساختار کاتالیزور قرار گیرد. این لایه بهبود مقاومت مکانیکی هسته کاتالیست را افزایش می‌دهد و در برخورد با نیروهای متحرک و انقباضی که در طول استفاده از کاتالیزور خودرو به آن وارد می‌شود، کمک می‌کند تا هسته کاتالیست جای خود را حفظ کند.

علاوه بر این، لایه اکسید می‌تواند ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی کاتالیزور را نیز تغییر دهد و تأثیری بر واکنش‌های شیمیایی داشته باشد. انتخاب و استفاده از نوع و ضخامت مناسب لایه اکسید بر اساس نیازهای خاص کاتالیزور و عملکرد مورد انتظار می‌تواند به بهبود کارایی کاتالیزور خودرو کمک کند.

ماده کاتالیزور:

ماده کاتالیزور در کاتالیزور خودرو عمدتاً از فلزات گروه پلاتین استفاده می‌شود. این فلزات شامل پلاتین (Pt)، پالادیوم (Pd) و رودیم (Rh) هستند. این فلزات به دلیل خواص خاص خود در کاتالیز و توانایی آنها در تسهیل واکنش‌های شیمیایی، به عنوان کاتالیزور‌های عمده در صنعت خودروسازی استفاده می‌شوند.

ماده کاتالیزور، به‌طور عمده به صورت نانوذرات از فلزات گروه پلاتین حمایت شده بر روی ساختار پشتیبان مانند آلومینا (Al2O3)، سیلیکا (SiO2) یا زئولیت‌ها به کار می‌رود. این ساختار پشتیبان می‌تواند ساختار مورد نیاز برای دسترسی آسان به سطح کاتالیست و همچنین پایداری مکانیکی کاتالیزور را فراهم کند.

فلزات گروه پلاتین به دلیل خاصیت کاتالیز خود و قابلیت اتصال به مولکول‌ها در واکنش‌های شیمیایی، بسیار مناسب برای کاتالیزور خودرو هستند. این فلزات قادر به تسهیل واکنش‌های اکسیداسیون (اکسیداسیون کربن مونوکسید به دی‌اکسید کربن) و واکنش‌های کاهنده نیتروژن (تبدیل اکسیدهای نیتروژن، کربن مونوکسید و هیدروکربن‌ها به ترکیبات غیرمضر) هستند.

استفاده از ماده کاتالیزور مناسب و بهینه، که به عنوان یک رقیب برای کاهش آلاینده‌های موجود در گازهای خروجی موتور عمل کند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

کاتالیزور چیست

انواع مبدل کاتالیستی

مبدل کاتالیستی یا کاتالیزورهای خودرو می‌توانند به چندین نوع تقسیم شوند، که برخی از مهم‌ترین انواع آنها عبارتند از:

1. کاتالیزور اکسیداسیون (Oxidation Catalyst):

این نوع کاتالیزور برای تبدیل کربن مونوکسید (CO) به دی‌اکسید کربن (CO2) استفاده می‌شود. همچنین، در برخی موارد، می‌تواند به عنوان کاتالیزور برای تبدیل هیدروکربن‌ها به دی‌اکسید کربن و آب نیز عمل کند.

2. کاتالیزور کاهنده نیتروژن (Three-way Catalyst):

این نوع کاتالیزور برای کاهش اکسیدهای نیتروژن (NOx)، کربن مونوکسید (CO) و هیدروکربن‌ها (HC) به نیتروژن (N2)، دی‌اکسید کربن (CO2) و آب (H2O) استفاده می‌شود. کاتالیزور کاهنده نیتروژن بیشتر در خودروهای سواری استفاده می‌شود.

3. کاتالیزور انتخابی (Selective Catalyst):

این نوع کاتالیزور برای تبدیل اکسید نیتروژن (NOx) به نیتروژن (N2) و آب (H2O) در حضور اکسیژن استفاده می‌شود. این نوع کاتالیزور معمولاً در خودروهای دیزلی استفاده می‌شود.

4. کاتالیزور ذخیره اکسیژن (Oxygen Storage Catalyst):

این نوع کاتالیزور برای ذخیره و تأمین اکسیژن در واکنش‌های کاتالیزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاتالیزورها بهبود کارایی کاتالیزورهای دیگر در محیط‌های فقیر اکسیژن را فراهم می‌کنند.

5. کاتالیزور فیلتر ذرات (Diesel Particulate Filter – DPF):

این نوع کاتالیزور برای حبس و کاهش ذرات جامد موجود در گازهای خروجی موتورهای دیزلی استفاده می‌شود. کاتالیزور فیلتر ذرات ذرات جامد را جمع آوری کرده و در زمان مناسب آن‌ها را از طریق فرایند احتراقی یا بازیافت می‌کند.

این تنها برخی از انواع کاتالیزورهای خودرو هستند و هر نوع کاتالیزور بسته به نیازها و استفاده‌های خاص خودروها طراحی و استفاده می‌شود.

کاتالیزور چیست

اثرات زیست محیطی مبدل کاتالیزوری

عملکرد کاتالیزور خودرو به طور خاص برای کاهش آلودگی های مضر ناشی از گازهای تولید شده از احتراق سوخت ها مبتنی بر هیدروکربن در خودروها اختراع شده است.

مطالعات نشان می‌دهد که این دستگاه‌ها می‌توانند انتشار هیدروکربن را تقریباً ۸۷ درصد، مونوکسید کربن را تا ۸۵ درصد و اکسید نیتروژن را تا ۶۲ درصد در طول عمر مورد انتظار خودرو کاهش دهند.

منابع مقاله از :

IEEE Xplore، ScienceDirect، Google Scholar، ResearchGate و ACM

International Symposium on Catalysis، International Congress on Catalysis و International Conference on Automotive Catalytic Converters

Journal of Catalysis، Applied Catalysis B: Environmental، Catalysis Today و Chemical Engineering Journal