東北大學開發出可作為高性能汽車尾氣催化劑的新材料

東北大學于2016年2月3日宣布，與日本物質材料研究機構合作開發出了完全不用貴金屬（稀有金屬）和稀土類元素（稀土）的高性能汽車尾氣催化劑（納米多孔NiCuMnO）。如果將該材料用于汽車尾氣催化劑，可使材料成本降至原來的百分之一左右，有利于大量節約稀有金屬和稀土。

納米多孔金屬是指呈海綿狀擁有納米尺寸細孔的金屬。通過用酸對固溶體合金進行選擇性腐蝕，可以形成50～100nm的自由納米細孔。東北大學于2012年闡明了納米多孔金屬的催化活性原理，一直希望通過研究高反應產率和高耐用性，創造出新型汽車尾氣催化劑。
 
此次開發出的納米多孔NiCuMnO金屬復合化合物是由銅、鎳、錳的固體合金選擇性腐蝕掉錳而實現的。這種材料對CO氧化和NO還元反應具有高活性，與原來的鎳、銅催化劑相比，低溫下的催化劑活性高，在為期10天的400度耐用試驗中，未見到有害的NO、CO氣體被釋放，而是轉換成了CO2。現已證實：這種材料還適合大量生產，通過大量制造銅、鎳、錳合金的微粉末，并將這些粉末浸泡在酸中，可以制造大量催化劑。
 
在環境控制型超高壓電子顯微鏡（一種在試劑周圍導入氣體，可在高壓環境下觀察的透射電子顯微鏡）下發現：這種材料在催化劑反應誘導下，微細組織會自動發生變化。這是全球首次在透射電子顯微鏡下觀察NO還元反應。這種微細組織為活性金屬（Cu和CuO）與納米多孔NiMnO網絡相互結合的構造，可以發現作為活性的主角，活性金屬與氧化物界面“邊界（perimeter）”比原來的納米粒子催化劑多10多倍。另外，由于具有熱穩定的納米多孔NiMnO網絡，因此在高溫下具有耐用性。
 
這是日本科學技術振興機構（JST）“戰略性創造研究推進業務”的一環。此次的研究成果已于2月3日（德國時間）在德國國際科學雜志《AdvancedFunctionalMaterials》的在線版上公開。今后將根據此次獲得的催化劑設計指針，開發具有更高活性、更高耐用性的汽車尾氣催化劑，力爭數年內達到實用化。另外，還將致力于將其應用于甲烷轉換催化劑（由甲烷轉變成有用的能源資源）。