Что значит катализатор: ТрансТехСервис (ТТС): автосалоны в Казани, Ижевске, Чебоксарах и в других городах

Что такое катализатор в автомобиле.Какие функции он выполняет

Автор Авто Эксперт На чтение 15 мин. Просмотров 3.2k. Опубликовано 17.11.2020

Многие автовладельцы задумываются о том, что такое катализатор в автомобиле, после того как этот узел выходит из строя. Изначально на машины стали устанавливаться каталитические нейтрализаторы, чтобы снизить пагубное воздействие на окружающую среду выхлопных газов, которые образуются при работе ДВС. Однако не все водители одобряют установку нейтрализаторов, ведь стоимость этого агрегата достаточно высока. К тому же из-за низкого качества бензина приходится регулярно его ремонтировать.

Содержание

1. Автомобильный катализатор: что это
2. Зачем нужен в машине каталитический нейтрализатор
3. Из чего состоит и как работает
4. Виды катализаторов
5. Принцип работы катализатора
6. Срок службы катализатора
7. Причины неисправности катализатора автомобиля
8. Признаки неисправности катализатора автомобиля
9. Почему нейтрализатор может выйти из строя
10. Некачественное горючее
11. Катализатор низкого качества
12. Дизельные двигатели
13. Способы проверки
14. Способы решения проблемы
15. Подведем итоги

Автомобильный катализатор: что это

Каталитический нейтрализатор – элемент выхлопной системы мотора, предназначенный для очистки отработанных газов перед их выбросом в атмосферу. Необходимость разработки данного узла автомобильного мотора возникла в 60-х годах прошлого века, когда мировое сообщество озаботилось состоянием экологии на планете. В то время уровень выбросов из выхлопных труб автомобилей не был установлен на законодательном уровне.

Катализатор предназначен для нейтрализации вредных выхлопов автомобиля и является частью выхлопной системы авто

Первые стандарты содержания токсичных продуктов в выбросах автомобилей были введены в 1970-м году. Автопроизводителей обязали оснащать машины устройствами, снижающими объёмы угарного газа и продуктов сгорания углеводородов. С 1975 года каталитический нейтрализатор стал обязательной деталью всех сходящих с конвейера автомобилей.

Производители устанавливают на автомобили три вида катализаторов:

1. Керамические – используют механический способ очистки выхлопных газов. Состоят из керамических пластин, покрытых драгметаллами. Максимальный ресурс работы этого вида – 100 тысяч километров. Однако при плохом качестве топлива его замена требуется уже после 70–80 тысяч километров пробега.
2. Металлические – их начинка состоит из металлических сот, обладающих повышенной упругостью. Конструкция таких деталей надёжная и более прочная, по сравнению с керамическими катализаторами.
3. Спортивные – самые надёжные модели, но при этом имеющие высокую стоимость. Изготовлены из металла, но обладают большей пропускной способностью, нежели два предыдущих варианта.

Зачем нужен в машине каталитический нейтрализатор

Большая часть выхлопных газов состоит из вполне нейтральных и безвредных веществ – азота, водяного пара и двуокиси углерода. Но обойтись только их наличием практически невозможно, такое случается лишь в идеально отрегулированном двигателе, работающем в предсказуемом стационарном режиме.

Во всех других случаях мотор начинает выделять крайне опасные для человека химически активные вещества, моноокись углерода, углеводороды и окислы азота.

Прямое уничтожение подобных ядов с большой скоростью и в требуемом объёме практически невозможно, поэтому инженеры были вынуждены прибегнуть к известным из химии каталитическим реакциям переработки вредных веществ в относительно нейтральные.

Катализатором в химии называется компонент реакции, который участвует в процессе, хорошо его ускоряет, но сам при этом не расходуется.

Из чего состоит и как работает

Основа катализатора – керамические соты

Конструктивно каталитический нейтрализатор представляет собой выполненную в форме сот керамическую подложку, вставленную в металлический корпус и защищённую теплоизоляционными материалами. Мелкие ячейки прибора имеют специальное покрытие – рабочий состав. Покрывающий соты состав – это сплав платины, родия и палладия, драгоценных металлов, стоимость которых превосходит золото как минимум в два раза.

Сотовая конструкция катализатора увеличивает площадь соприкосновения токсичных газов с нейтрализующей их поверхностью. Остатки вредных веществ мгновенно догорают и не попадают в атмосферу.

Катализатор состоит из следующих деталей:

• Корпус с входным и выходным патрубками;
• Керамический блок с пористой структурой;
• Каталитический слой – напыление на ячейках керамического блока;
• Датчик (лямбда-зонд) – прибор, показывающий загрязнённость газов после очистки;
• Металлический кожух – выполняет функцию теплоизоляции и защищает корпус от механических повреждений.

Устройство катализатора в разрезе

Деталь устанавливают после выхлопной трубы двигателя или во фланце выпускного коллектора. Такое расположение необходимо для эффективной работы катализатора, поскольку нейтрализация токсических веществ возможна только при высоких температурах. Работа узла происходит следующим образом:

1. Выхлопные газы по входному патрубку направляются внутрь детали и попадают на керамический блок, заполняя ячейки.
2. Металлы-катализаторы окисляют несгоревшие углеводороды и угарный газ.
3. Восстановительный металл родий нейтрализует оксид азота и превращает его в безвредное вещество.
4. Через выходной патрубок в атмосферу выводится чистый газ.

Это важно! Решающую роль в процессе нейтрализации токсичных веществ играет температура процесса. Преобразование возможно при температуре от 300 градусов, однако в основном рабочая температура катализатора автомобиля находится в пределах от 400 до 800 градусов.

В момент прогрева двигателя катализатор бездействует, и это является существенным недостатком разработанных на сегодняшний день моделей. Трудность организации правильной работы узла состоит в опасности его перегрева. Если расположить катализатор ближе к двигателю, срок работы резко уменьшится из-за систематического перегрева. Большинство автопроизводителей располагают деталь в области правого переднего колеса, где существует возможность поддержания температуры на оптимальном уровне.

Виды катализаторов

По своему назначению нейтрализатор может быть двух- или трехкомпонентным.

1. В первом случае он выполняет относительно простые функции окисления (дожигания) угарного газа и углеводородов до образования воды и двуокиси углерода.
2. Во втором – добавляется сложная способность устройства работать с окислами азота. Особенно много их образуется в современных дизельных и бензиновых моторах, в силу повышения экономичности, которых конструкторам приходится использовать обеднённые и бедные смеси на впуске.

Трёхкомпонентые катализаторы, а именно такие чаще всего применяются, в свою очередь, могут отличаться по конструктивному признаку, изготавливаясь на базе керамических или металлических сотовых изделий.

Керамические относительно дешевле, но не обладают высокой механической прочностью и долговечностью, склонны к растрескиванию и разрушению, не терпят ударов при наезде на препятствия.

Металлические конструктивы обладают достаточной упругостью, поэтому лучше держат внешние и внутренние удары. Внутренние могут возникать при аномальных процессах горения и разрушительно воздействовать на тонкую сотовую начинку, где, как уже упоминалось, обычно нанесены такие непростые вещества, как платина, палладий и родий.

Но даже металл не спасает от предательского попадания на тонкие соты посторонних веществ из двигателя в виде компонент контрафактных рабочих жидкостей, слишком богатой смеси или всевозможных соединений кремния.

Катализаторы отличаются и по способу их установки. Раньше они располагались в виде врезок выхлопной трубы, подобно глушителям и резонаторам. Но оказалось, что так их очень трудно и затратно прогревать до рабочей температуры, при которой начинаются каталитические реакции.

Поэтому сейчас нейтрализаторы ставят непосредственно за выпускным коллектором, максимально близко к точке выхода раскалённых выхлопных газов. Уже не надо долго ждать выхода прибора на режим, меньше загрязняются кислородные датчики и сокращаются расходы топлива на поддержание температуры.

Принцип работы катализатора

Выхлопные газы представляют собой смесь NO (оксид азота), CH (углеводород), CO (оксид углерода – угарный газ). Эти газы опасны как для окружающей среды, так и для самого человека. Смог, который еще недавно был визитной карточкой больших городов, образуется из-за взаимодействия этих и некоторых других соединений, в результате получается вредная для человека дымовая завеса.

Принцип работы катализатора основан на том, чтобы эти элементы до-окислять путем каталитической реакции между элементами газов и сплава катализатора, в результате на выходе получаются либо более низкие концентрации вредных веществ, либо чистые кислород и углекислый газ.

Реакция происходит из-за высокой температуры выхлопных газов (выше 300 градусов). Чем выше температура, тем быстрее протекает реакция. Температура выхлопных газов во многом зависит от заправляемого топлива. Топливо низкого качества может выдавать очень большую температуру отработанных газов, что уменьшает срок службы катализатора.

Срок службы катализатора

Разрушение керамического блока катализатора

Средний ресурс катализатора составляет 100 тыс. километров пробега, но при правильной эксплуатации он может исправно функционировать и до 200 тыс. километров. Основные причины раннего износа – неисправность двигателя и качество топлива (топливовоздушной смеси). При наличии обедненной смеси происходит перегрев, а при слишком богатой возникает засорение пористого блока остатками несгоревшего топлива, что препятствует протеканию необходимых химических процессов. Это приводит к тому, что срок службы каталитического нейтрализатора существенно снижается.

Еще одной распространенной причиной неисправности керамического катализатора являются механические повреждения (трещины), возникающие при механических воздействиях. Они провоцируют быстрое разрушение блоков.

При возникновении неисправностей работа каталитического нейтрализатора ухудшается, что фиксируется при помощи второго лямбда-зонда. В этом случае электронный блок управления сообщит о неисправности, выдав на приборной панели ошибку «CHECK ENGINE». Также признаками выхода из строя являются дребезжание, увеличение расхода топлива и ухудшение динамики. В этом случае его меняют на новый (оригинального производства или универсальный). Почистить или восстановить катализаторы невозможно, а поскольку это устройство имеет высокую цену, многие автомобилисты предпочитают просто удалить его.

Причины неисправности катализатора автомобиля

Компании, производящие нейтрализаторы, утверждают, что их можно использовать на протяжении 100 000–150 000 км пробега. Однако в реальности этот агрегат может выйти из строя гораздо раньше, особенно если вы живете в мегаполисе и постоянно стоите в пробках.

Почему нейтрализатор может прийти в негодность? Дело в том, что устройство катализатора автомобиля представляет собой фильтр. А фильтр нужно регулярно менять.

Срок службы агрегата станет меньше, если система зажигания неисправна. Такая проблема обычно выявляется на автомобилях марки Ford и ВАЗ. Если зажигание выставлено неверно, будут случаться пропуски. В результате топливная смесь сгорит лишь частично. Образуется огромное количество сажи, которая скапливается в нейтрализаторе. Оптимальное решение — провести его чистку. Но это не поможет, если оплавилась бобина.

Поломка данного агрегата может произойти, если вы используете низкокачественное топливо. Оно станет не полностью сгорать. Процесс догорания будет происходить в коллекторе, и непосредственно в нейтрализаторе. Микрочастички забьют фильтр, и через него не сможет проходить воздух.

Признаки неисправности катализатора автомобиля

Как узнать, что катализатор выхлопной системы автомобиля пришел в негодность?

1. На приборной панели светится индикатор «Check Engin». Он загорается, если система обнаруживает какую-либо ошибку двигателя. В данной ситуации это происходит из-за неправильных показателей датчика лямбда-зонда. Чтобы удостовериться, что причина неисправности — катализатор, необходимо продиагностировать его при помощи сканера.
2. Падает мощность авто. Если катализатор в автомобиле не в порядке, авто будет троить, дергаться, тяга снизится. Происходит это потому, что снизилась пропускная способность нейтрализатора. Ведь соты частично разрушены, произошло их запекание, засорился проход отработанных газов. Все это приводит к тому, что двигатель «не дышит».
3. Посторонние звуки под днищем. Слышите стуки, которые возникают на повышенных оборотах либо когда заводите машину? Обычно это случается, когда керамические соты начинают разрушаться. Отвалившиеся частички ударяются о стенки катализатора, ведь на них действует газовый поток, а также центробежные силы.
4. Слабый либо ровный напор газов, поступающих из глушителя. Если катализатор в автомобиле работает нормально, то, подставив ладонь к трубе выхлопа, вы почувствуете, что выходящий поток газов пульсирует. Происходит это потому, что выпускные клапаны работают по очереди. Заметили, что поток газов слабый либо пульсация отсутствует? Значит, соты нейтрализатора разрушены.

Почему нейтрализатор может выйти из строя

Каталитическое устройство имеет довольно длительный срок службы, и если разрушение происходит в короткие сроки после начала эксплуатации автомобиля, то у транспортного средства имеются скрытые проблемы с системами питания и зажигания. Перед заменой данного устройства обязательно требуется полная диагностика этих систем.

В том случае, если некорректно работают эти системы, как минимум в одном из цилиндров не происходит полного сгорания топлива, и катализатор вынужден работать в усиленном режиме, дожигая его.

Очень крупные неприятности могут вызвать высоковольтные провода или катушки и свечи зажигания. При нарушении в работе форсунок может переливаться топливо, что тоже влечёт за собой выход из строя катализатора. Если происходит залегание или износ колец и колпачков цилиндропоршневой системы, переливаться и догорать начинает ещё и моторное масло.

Как уже говорилось ранее, керамическая начинка может быть очень легко повреждена при механическом воздействии. Во избежание данной ситуации не помешает установить дополнительную защиту на днище авто.

Разрушение керамического содержимого катализатора чревато попаданием крошек в цилиндры двигателя, где они повреждают стенки и могут даже привести к поломке двигателя. Чтобы не произошло ничего подобного, необходимо следить за состоянием своего транспортного средства и вовремя производить необходимый ремонт.

Некачественное горючее

Если смесь бензина и воздуха не полностью сгорает в цилиндрах двигателя, то горение завершается в катализаторе или в выпускном коллекторе. Затем происходит оплавление основных деталей выхлопной системы. Продукты сгорания оседают в нейтрализаторе и мешают газам проходить с необходимой скоростью. В результате система просто забивается.

Катализатор низкого качества

Автопроизводители комплектуют автомобили качественными деталями и расходными материалами. Но если что-то в машине менялось, то не факт, что владельцу продали качественные запчасти. Если в автомобиле установлен некачественный или неоригинальный нейтрализатор, то существует большой риск, что ячейки катализатора слишком маленького размера. Вследствие недостаточного размера они легко забиваются продуктами сгорания топлива.

Часто все признаки неисправности и симптомы забитого катализатора возникают у американских автомобилей, которые ранее эксплуатировались в США. В Соединенных Штатах на заправках продается более качественный бензин, от которого в процессе сгорания остается минимум несгоревших веществ. Катализаторы в таких автомобилях с маленькими сотами – в России они погибают в кратчайшее время.

Дизельные двигатели

На таких силовых агрегатах никакого катализатора нет. Там вместо него есть сажевый фильтр, он выполняет ту же задачу, что и каталитический нейтрализатор в бензиновом двигателе. Еще одно отличие – это цена. Сажевый фильтр обойдется в три раза дороже бензинового элемента.

Симптомы забитого катализатора на дизеле аналогичны тем, что могут наблюдать владельцы бензиновых двигателей. Это потеря мощности, двигатель отказывается заводиться, повышенный расход топлива.

Способы проверки

Но перед тем как грешить на устройство, следует точно убедиться, что проблема скрыта в нем.

Проверка катализатора выполняется двумя способами – не снимая с авто, и после его демонтажа.

Проверка без снятия.

Без снятия с авто проверка устройства выполняется двумя способами – диагностикой выхлопной системы на газоанализаторе и тестирование на противодавление в системе отвода газов.

Проверка на газоанализаторе хоть и является отличным вариантом, но вот только далеко не все СТО оснащены таким оборудованием. А в небольших городах такой прибор и вовсе не найдешь.

Суть такого способа – к выхлопной трубе автомобиля подсоединяется газоанализатор, и проводятся замеры.

На основе химического анализа выхлопных газов определяется, забит ли катализатор или нет.

Второй способ проверки – на противодавление более распространен и не требует наличия сложного оборудования.

Суть такой проверки – определение давления на входе в нейтрализатор. Если он забит, давление перед ним на определенных оборотах мотора возрастет.

Официально этот метод проверки делается так – в трубе, подходящей к нейтрализатору проделывается отверстие, к котором нарезается резьба. Далее в это отверстие вкручивается штуцер, к которому подсоединяется медная трубка.

Нужна она для рассеивания тепла, получаемого от выхлопной системы. На конец медной трубки надевается резиновый шланг, подсоединенный к манометру.

Сделав такое приспособление, приступают к замерам. Выхлопная система тестируется на всех режимах работы мотора, а по показаниям манометра определяют, забит ли катализатор.

Кстати, продаются специальные наборы для проверки методом противодействия.

На такой способ несколько сложен в исполнении – необходимо сверлить трубу, нарезать резьбу, после замеров искать подходящую заглушку, чтобы закрыть отверстие.

Способы решения проблемы

Одной проверки катализатора недостаточно, ведь если он забит – проблему нужно решать.

Вариантов устранить неисправность несколько:

• Попытаться прочистить или промыть устройство. Это действительно может помочь, но только в случае несильного забития. При оплавлении, разрушении и полной закупорки сотов таким способом проблему не решить.
• Замена нейтрализатора на оригинальный. Выполнить проще всего – сняли, установили новый и все. Вот только стоит оригинальный аналог очень дорого, поэтому не всегда целесообразно его покупать.
• Замена на универсальный нейтрализатор. Некоторые фирмы, занимающиеся производством автозапчастей и аксессуаров, выпускают каталитические нейтрализаторы, которые можно устанавливать на разные авто. Стоит такой элемент дешевле оригинального, но придется «помучиться» с подбором и подгонкой;
• Замена нейтрализатора на пламегаситель. Самый простой способ, позволяющий навсегда забыть о проблеме катализатора.
  Пламегаситель врезается в систему вместо нейтрализатора и все. Но для корректной работы ЭБУ придется его либо перепрошивать, либо использовать обманки. Стоит отметить, что на авто, в котором вместо нейтрализатора стоит пламегаситель, в некоторые из стран Европы уже не въедешь.

Как решать проблему с каталитическим нейтрализатором – решать автовладельцу. Мы же рассказали, как проверить данный элемент разными способами, и что можно предпринять в случае его неисправности.

Подведем итоги

С учетом приведенной выше информации становится понятно, что в современных автомобилях катализатор является важным элементом, который в связке с кислородным датчиком оказывает прямое влияние на смесеобразование и работу двигателя в целом. Также проблемы с катализатором могут привести к сбоям в работе ДВС в том случае, если фильтр забит.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как выполняется ремонт глушителя автомобиля своими руками. Из этой статьи вы узнаете, как можно отремонтировать глушитель в случае выхода из строя или повреждений данного элемента выхлопной системы автомобиля.По этой причине следует обращать внимание на любые признаки, которые могут указывать на неисправности каталитического нейтрализатора. Дело в том, что не редко отмечаются случаи, когда части разрушенных элементов нейтрализатора отработавших газов попадали в двигатель со всеми вытекающими последствиями.

Напоследок отметим, что замена каталитического нейтрализатора является наиболее правильным решением, однако если нет средств на покупку новой детали, можно ограничиться установкой пламегасителя. Хотя уровень токсичности выхлопа в данном случае сильно повышается и не соответствует нормам и стандартам, владелец получает возможность нормально эксплуатировать автомобиль с исправно работающим ДВС.

Источники

• https://rad-star.ru/pressroom/articles/chto-takoe-katalizator-v-avto/
• https://carnovato.ru/chto-takoe-katalizator-v-avtomobile/
• https://AutoVogdenie.ru/chto-takoe-katalizator-v-avtomobile.html
• https://glushak.ru/articles/obshaya-informaciya-o-katalizatorah/
• https://TechAutoPort.ru/dvigatel/vypusknaya-sistema/kataliticheskiy-neytralizator.html
• https://DriverTip.ru/osnovy/katalizator-v-avtomobile-i-zachem-on-nuzhen.html
• https://FB.ru/article/278049/zabityiy-katalizator-simptomyi-sposobyi-ustraneniya-problemyi-i-rekomendatsii
• https://AutoTopik.ru/sovet/1003-kak-proverit-katalizator.html
• http://KrutiMotor.ru/priznaki-zabitogo-katalizatora/

Потемки катализа

В 2003 году американские ученые умудрились провести реакцию кросс-сочетания без обычных для нее катализаторов. Связь между атомами углерода в реакции органического галогенида с бороновой кислотой образовалась, хотя необходимых солей и комплексов палладия химики в реакции не использовали. Ученые были настолько удивлены, что закупили новую стеклянную посуду и организовали для одного из сотрудников лаборатории «карантин»: чтобы никто случайно не занес катализатор на халате, работал с реакцией только он, а в рабочее пространство нельзя было вносить соли переходных металлов, которые могли загрязнить исходные реагенты. Но реакция все равно шла. Только через два года после публикации статьи о «некаталитическом» кросс-сочетании те же химики выяснили, что катализатор в их реакции все же был. Один из реагентов был с примесью палладия — настолько небольшой, что изначально ее обнаружить ученым не удалось.
И хотя сенсацию отменили, оригинальную статью с публикации никто не снял. Для каталитической химии подобные случаи если не норма, то точно не редкость. Даже журналы высокого уровня иногда публикуют статьи с невоспроизводимыми реакциями. Достоверно известно, что катализатор в системе есть, но что это за вещество и откуда оно там взялось — непонятно (о том, как подобные проблемы портят жизнь психологам и онкобиологам, мы писали в материалах «Не повторяется такое иногда» и «Собака съела протокол»).

Ускоряем реакцию

Катализаторы — химические соединения, которые ускоряют реакции, но не расходуются в них. О том, что такие вещества существуют, химики узнали случайно. Одну из первых каталитических реакций провел сэр Гемфри Дэви в 1817 году. Он изучал воспламеняемость углеводородов, и в одном из экспериментов в качестве переносчика тепла решил использовать платиновую проволоку, устойчивую к высоким температурам.

Дэви заполнил реакционный сосуд с платиновой проволокой смесью воздуха и углеводородов и поджег ее. Как только смесь воспламенилась, ученый добавил в нее еще углеводородов — чтобы проверить, хватит ли накопившегося в реакционной смеси тепла для продолжения реакции. Горение, как он и предполагал, продолжилось.

Но через несколько секунд химик обнаружил, что платиновая проволока разогрелась и стала ярко светиться. Причем, несмотря на недостаток кислорода, горение продолжалось несколько минут даже без подвода тепла.

Если же он сначала заполнял сосуд смесью воздуха и углеводородов и потом вносил туда раскаленную докрасна проволоку, то пламя на ее поверхности не возникало, зато резко повышалась температура проволоки. Из этого Дэви вывел, что реакция идет на поверхности проволоки, а значит именно платина значительно ускоряет окисление. Так, совершенно случайно, был открыт один из первых катализаторов — и каталитические реакции вообще.

За прошедшие два века мы успели неплохо разобраться в том, как вещества, которые не нужны в химической реакции, могут, однако, ее ускорить. Катализатор вносит в обычную последовательность химического превращения новые промежуточные стадии. Например, при кросс-сочетании по Судзуки палладиевый катализатор сначала присоединяется по связи углерод-галоген в галогениде, затем реагирует с бороновой кислотой при содействии основания, а потом возвращается в исходное состояние, при этом от палладия отщепляется продукт кросс-сочетания. Там, где работает катализ, реагенты при встрече становятся чем-то другим не за один шаг, а в несколько стадий, успев побывать не в одном, а в нескольких переходных состояниях. У переходного состояния энергия достигает пика — этот барьер нужно перепрыгнуть, чтобы реакция прошла. Если у реагентов ее недостаточно, реагировать друг с другом они не будут.

Катализатор реагирует с исходными веществами и превращается в промежуточные соединения. Если он подобран правильно, энергетические барьеры между промежуточными соединениями оказываются ниже, чем в некаталитическом процессе, и реакция идет быстрее. Бывает, что сам по себе энергетический барьер очень высок, и в норме вещества вообще не реагируют друг с другом, но в присутствии катализатора реакция происходит за считанные минуты. При этом в зависимости от катализатора, из одних и тех же исходных веществ могут получаться разные продукты — просто потому, что каждый катализатор по-своему влияет на переходные состояния разных реакций. Например, из смеси двух алкенов с помощью катализатора Циглера — Натта (тетрахлорида титана в смеси с триэтилалюминием) можно получить полимер, а с помощью катализатора Граббса (карбенового комплекса рутения) — продукт реакции метатезиса.

Сам катализатор, после того, как выполнил свою работу, возвращается в исходное состояние. Поэтому даже минимальное количество палладия, попавшее в эксперимент американских химиков, раз за разом запускало реакцию кросс-сочетания. Впрочем, катализаторы часто сами вступают в необратимые побочные химические превращения — с продуктами, следами воды и воздуха, стенками посуды, даже сами с собой. Из-за этого они теряют активность, и на практике большинство катализаторов все-таки расходуются — их просто не выделяют из итоговой смеси после завершения реакции.

Коктейль из частиц

Как работают катализаторы в реакциях, которые без них идут плохо или в неверном направлении, химики разобрались. Например, механизмы катализа реакций гидрирования двойных связей или кросс-сочетания описаны в мельчайших деталях. А вот придумать на заказ вещество, которое ускорит нужную нам реакцию, оказалось сложнее. Никакого универсального способа для этого поиска не появилось до сих пор. Чтобы искать было проще, катализаторы стали систематизировать.

Их еще со времен Дэви делили на гомогенные (если катализатор и реагенты находятся в одной фазе) и гетерогенные (если катализатор и реагенты в разных фазах). Было ясно, что механизм их работы отличается. Но в жидкой среде определить тип катализа не всегда так же просто, как в случае с горением углеводородов на поверхности платиновой проволоки.

В 1918 году немецкие химики предложили использовать для этого ртуть. Ученые заметили, что этот металл замедляет гетерогенные реакции. Поэтому если после добавления в реакционный сосуд капли ртути скорость реакции значительно падала (оттого что ртуть связала все металлические частицы), процесс называли гетерогенным.

Полвека спустя ученые подробно описали устройство гомогенной каталитической реакции — и убедились, что растворимые и нерастворимые катализаторы действительно работают по-разному, а значит, для описания этих процессов нужны разные модели. В первом случае каталитические частицы находятся в растворе, и в реакции участвуют отдельные молекулы. Во втором — представляют собой отдельную фазу, на поверхности которой происходит реакция. И ученые думали, что если разобраться, в чем заключаются принципы двух этих процессов, то станет ясно, как искать новые катализаторы.

Но дальнейшие исследования этого вопроса привели пока что только к тому, что от ртутного теста в каталитической химии отказываются. В 2018 году выяснилось, что ртуть может реагировать и с растворимыми комплексами палладия, мешая таким образом не только гетерогенному, но и гомогенному катализу.

Чем дольше химики изучали каталитические процессы, тем яснее становилось, что не только тесты не работают, но и сам подход к систематизации реакций не совсем верен. Например, в 2020 году оказалось, что во многих реакциях, катализируемых карбеновыми комплексами палладия, участвуют не только растворимые комплексы катализатора, но и нерастворимые металлические наночастицы и кластеры, которые получаются после разложения этих комплексов. А значит, катализ здесь одновременно — и гомогенный, и гетерогенный.

Подобные коктейли из смеси растворимых и нерастворимых катализаторов — не редкость. Описывать внутренне разнообразные системы крайне сложно: нужно провести с десяток экспериментов, чтобы понять, какие именно из нерастворимых частиц участвуют в катализе. А предсказать реакционную способность нового кандидата в катализаторы часто вовсе невозможно: непонятно, насколько он будет устойчив в условиях реакции, и какие нерастворимые частицы получатся при разложении.

Так что химики вот уже два века продолжают заниматься перебором. А это занимает время: так, катализатор для получения метанола из углекислого газа ученые безуспешно ищут уже 30 лет. Те же проблемы с поиском катализаторов для восстановления углекислого газа до углеводородов, или синтеза перекиси водорода из водорода и кислорода. И это так долго не потому, что у химиков есть дела поважнее, — в этих катализаторах промышленность нуждается особенно остро (об этом подробнее в нашем интервью с химиком Грэмом Хатчингсом).

А после отмены ртутного теста развалилось и то немногое, что казалось понятным, — базовая дихотомия гомо- и гетерогенности катализа. Выяснилось, что некоторые, казалось бы, хорошо изученные каталитические реакции — совсем не то, за что их принимали. Например, в 2012 году российский химик Валентин Анаников обнаружил, что комплекс палладия с дибензилиденацетоном для гомогенного катализа, который закупают лаборатории, часто оказывается загрязнен палладиевыми наночастицами разного размера — их в составе до 40 процентов. Этот катализатор химики используют в кросс-сочетаниях, карбонилировании, сочетаниях алкинов и алленов. Выходит, что ни один каталитический процесс, открытый на этом комплексе, теперь нельзя считать полностью изученным. Все эксперименты надо повторить, а реакционные смеси проанализировать заново — вдруг где-то основным катализатором были металлические наночастицы, а не растворимые комплексные соединения?

Примеси повсюду

«Залетные» каталитические частицы часто становятся причиной отзывов химических статей, авторы которых утверждали, что нашли новый катализатор. Так, в 2021 году в журнале Nature Catalysis вышла статья, авторы которой сообщали об открытии органического катализатора для реакции сочетания по Судзуки, в которой объединяются органический галогенид и бороновая кислота. При том, что теория механизмов кросс-сочетаний предполагает, что для этой реакции органические катализаторы не подходят в принципе, и здесь необходим металл.

Естественно, авторы статьи знали, что теория не допускает органических катализаторов в этой реакции. Ученые проверили все реагенты на наличие металлических примесей — те оказались чистыми. Кроме того, они провели кинетические исследования своей реакции и показали, что ее скорость не меняется при добавлении солей металлов в реакционную смесь или при дополнительной очистке катализатора. Также ученые построили компьютерную модель реакции с помощью теории функционала плотности, и она подтвердила, что реакция Судзуки может быть органокаталитической.

Неожиданным открытием даже успели воспользоваться другие химики — они использовали органический катализатор для синтеза микропористых полимерных материалов.

Но спустя некоторое время в том же Nature Catalysis вышли три работы, опровергающие открытие китайских химиков. Одни ученые показали, что если синтезировать органический катализатор без использования палладиевых комплексов (так его получали в оригинальной статье), он каталитическую активность в реакции Судзуки не проявляет. Другие сделали те же выводы, проанализировав образцы комплекса, полученные по оригинальной методике. Выяснилось, что авторы оригинальной работы искали палладий методом, который работает не для всех комплексных частиц, поэтому примесей и не нашли.

Похожая история приключилась с катализом реакции переноса водорода. Обычно в качестве растворителя для этой реакции используют изопропанол, который окисляется в ацетон с отщеплением молекулы водорода. Этот водород может гидрировать другое карбонильное соединение, находящееся в растворе. Для катализа этих реакций химики традиционно использовали, например, комплексы и соли алюминия или рутения, и добавляли в реакционную смесь сильные основания, чтобы спирт мог присоединяться к молекуле катализатора.

В 2009 году химики из Франции обнаружили, что для переноса водорода достаточно просто присутствия основания, например, гидроксида калия, и никакие дополнительные реагенты не нужны. Ученые провели кинетические тесты с добавкой солей металлов и проверили чистоту основания — реакция действительно катализировалась обычными гидроксидами щелочных металлов. Но исследователи не стали утверждать, что никаких неизвестных примесей в реакции не было. Так что механизм катализа в этом случае так и остается невыясненным.

Искать примеси, не понимая, что именно выступает катализатором, — очень неблагодарное дело. Загрязнены могут быть не только реагенты или посуда, но даже тефлоновая поверхность якорьков магнитных мешалок, которые используют для перемешивания реакционных смесей. Чаще всего одни и те же якорьки используют несколько месяцев или лет — они стойки к действию едких реагентов и легко отмываются. Но в 2019 году химики заметили, что в дефектах на поверхности якорька могут скапливаться наночастицы металлов, которые не удалить даже при тщательном мытье. А значит они могут выступать катализаторами реакций — включая и кросс-сочетание по Судзуки, которое мы упоминали выше. Для проверки достоверности каталитических реакций приходится использовать тщательно очищенную посуду, реагенты с точно известным составом — и новые якорьки.

Более того, каталитические примеси могут попадать в реакционную смесь буквально из воздуха. В семидесятых годах прошлого века в выхлопные системы автомобилей стали устанавливать каталитические конвертеры — трубки, заполненные металлическими частицами на подложке. В результате в почве и воздухе стало заметно больше наночастиц переходных металлов. С помощью платины, палладия и родия на поверхности конвертеров токсичные для человека окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота, а угарный газ окисляется до безопасного углекислого. Из конвертеров металлы попадают в окружающую среду. Еще в 2012 году химики показали, что достаточно оставить стеклянный фильтр на обочине дороги — и уже через сутки на нем можно будет проводить реакции Хека и Судзуки с высокими выходами.

Рациональный поиск

Современные методы химического и физического анализа позволяют довольно уверенно предсказывать продукты реакций даже сложных многоатомных молекул. С помощью квантово-химических расчетов и молекулярного моделирования можно довольно точно предсказывать физические свойства отдельных молекул, комплексных структур и кристаллов. А вот поиск катализаторов до такого уровня добраться пока не может, сколько ни старается.

Сейчас химики предлагают уже в пятый раз пересмотреть понимание того, что, собственно, считать катализатором: уже не отдельную молекулу, частицу или их смесь, а рассматривать катализатор как сложную динамическую систему, в которой последовательное превращение одних веществ в другие и дает ход катализируемой реакции.

«Если рассмотреть исторический срез развития каталитической химии, на первом этапе развития катализаторы представляли в качестве простых монометаллических комплексов. Один атом металла в катализаторе. Затем последовательно прошли волны нанокатализа, вымывания атомов и коктейля катализаторов. Сейчас мы с вами живем в эпоху пятой волны разработки катализаторов — динамический катализ», — объясняет N + 1 Валентин Анаников, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Зелинского РАН.

Каталитические реакции идут одновременно по нескольким путям, каждый из которых трудно изолировать от прочих и детально изучить. А катализатором часто оказывается вовсе не то вещество, которое думали. «Укоренившееся заблуждение связано с тем, — продолжает собеседник N + 1, — что катализатором называют вещество, которое берут из банки и добавляют в реакцию, будь то комплекс металла или нанесенный катализатор. В реальной жизни это всего лишь предшественник катализатора, а реальный каталитически активный центр может иметь совершенно другую структуру».

Оттого и берутся все затруднения с поиском новых катализаторов. Сложность молекулярных взаимодействий сталкивается со сложностью проведения эксперимента, и на выходе рациональный дизайн катализаторов для конкретных реакций оказывается в тупике. Механизмы реакций приходится объяснять a posteriori — когда катализатор уже найден. Но и эти предположения, даже сделанные с помощью квантово-химических моделей, часто оказываются далеким от реальности упрощением.

«‎Ошибки возникают, когда исследователи излишне упрощают каталитическую систему и выбирают одну форму для рассмотрения, игнорируя остальные, — считает Анаников. — Так бывает в экспериментальных исследованиях при недостаточном применении аналитических методов. Например, если при изучении гомогенных каталитических реакций не использовать электронную микроскопию, то наночастицы металла останутся незамеченными. В теоретических моделях иногда рассматривают такие катализаторы, которые вообще не встречаются в природе».

Одни химики видят возможное решение этой проблемы в том, чтобы сделать использование одноразовой посуды стандартной лабораторной практикой, другие — разрабатывают общий протокол проверки исходных веществ на примеси. Третьи предлагают отдавать каждый новый катализатор на проверку в другие лаборатории и не публиковать ничего, пока их результат не воспроизведут коллеги.

Но несмотря на все эти меры, объяснять механизмы каталитических реакций, не забывая при этом об их структурной сложности и динамической природе, все еще тяжело. Как и предсказывать новые катализаторы теоретически. «Для разработки эффективных катализаторов нового поколения необходимо сразу на стадии дизайна учитывать их динамическую природу, — подводит итог Анаников. — Механизмы реакций исследуют снова, уточняют и открывают новые. Именно так и развивается наука в области катализа. Очень важно, чтобы исследователи знали, что катализаторы не являются статическими структурами. Катализ — это динамическое явление».

Михаил Бойм

TWC — трехкомпонентный каталитический нейтрализатор

ПРЕДПОСЫЛКИ — CATCON

Каталитический нейтрализатор (или каткон) в вашем автомобиле на самом деле является очень важным элементом выхлопной системы автомобиля, потому что он удаляет вредные оксиды азота (NO _X , x=1,2,3) и окись углерода (CO) от остатков сжигания до того, как они попадут в окружающую среду. Он называется каталитическим нейтрализатором, потому что он превращает CO в вездесущий CO ₂ и NO _X в N 9. 0005 2 и O ₂ посредством химических реакций на твердом катализаторе. Катализатор — это химическое соединение, которое помогает реакции протекать быстрее за счет снижения энергетического барьера активации реакции. В ходе реакции не расходуется. В случае каткона катализатор представляет собой твердую платиновую (Pt) или палладиевую (Pd) поверхность, на которой адсорбируются и реагируют реагенты из газовой фазы. Этот процесс реакции, в котором участвует катализатор, находящийся в фазе, отличной от фазы реагентов, известен как гетерогенный катализ. (Узнайте больше о катализаторах на этом веб-сайте.)

Каталитический нейтрализатор — в разобранном виде

На приведенном выше рисунке показаны основные компоненты каталитических нейтрализаторов. Основными компонентами являются два сотовых монолита, покрытых тонким слоем Pt/Rh (первый монолит) и Pd/Rh (второй). Они обеспечивают площадь поверхности, на которой происходит реакция. Как упоминалось ранее, реакции окисления происходят на поверхности металлического катализатора. Поскольку реакция зависит от поверхности, на которой частицы могут адсорбироваться и реагировать, чем больше площадь поверхности, тем выше будет конверсия. Другими словами, скорость реакции и конверсия прямо пропорциональны площади поверхности катализатора.

Роль сотовой структуры монолитов заключается в увеличении открытой площади поверхности, покрытой слоем катализатора. По мере увеличения количества каналов в монолите увеличивается площадь поверхности. Как показано, поверхность монолитов покрыта тонким слоем довольно аморфного силикатного материала, который увеличивает площадь поверхности за счет придания поверхности шероховатости.

Для получения дополнительной информации о площади поверхности катализатора посетите этот веб-сайт.

Подробнее о его конструкции можно проиллюстрировать следующим видео:

Химические реакции в TWC

Как видно из видео, наиболее очевидными реакциями, происходящими внутри котона, являются следующие:

Тем не менее, в этой небольшой части вашего автомобиля одновременно происходит не менее 15 реакций. Их можно разделить на четыре основные категории: окисление, преобразование водяного газа и пара, восстановление закиси азота и хранение кислорода. Вы можете найти больше об этом в разделе кинетики.

Материальные и энергетические балансы

Скорость химической реакции также зависит от температуры, как показано уравнением Аррениуса. Следовательно, мы должны также учитывать передачу энергии (тепла) через наш реактор, потому что каталитический нейтрализатор, по сути, является реактором. Кроме того, каждый канал монолита служит мини-реактором, поскольку реакции происходят в каналах. В этой системе существует три основных механизма теплопередачи:

     1) Теплопроводность вдоль монолита

     2) Конвекционная теплопередача от газообразных частиц к стенкам монолита.

     3) Выделение тепла в результате химических реакций (эти реакции окисления экзотермические)

Величина каждого вида скорости теплопередачи будет зависеть от параметров реактора, таких как теплопроводность материалов, из которых изготовлен реактор. Кроме того, скорость реакции зависит от концентрации реагентов, поэтому крайне важно учитывать их транспортировку и расход в реакторе. Это также будет зависеть от параметров реактора, таких как коэффициент диффузии, который определяет, насколько быстро частицы могут перемещаться по материалу.

Каталитические и некаталитические дровяные печи – что подходит именно вам?

Что лучше каталитическая или некаталитическая дровяная печь?

Одно по своей сути не лучше другого, каталитические и некаталитические дровяные печи работают по-разному и, следовательно, имеют разные применения. Каталитические дровяные печи лучше подходят для длительного, стабильного и непрерывного основного отопления, тогда как некаталитические дровяные печи подходят для прерывистого или дополнительного отопления.

Вы по-прежнему можете использовать некаталитические дровяные печи в качестве основного источника тепла и получать длительное время горения, высокий КПД и обогревать большую площадь, однако каталитические дровяные печи предлагают более длительное время горения и более стабильную тепловую мощность по сравнению с некаталитические варианты.

Примечание. В гибридном каталитическом блоке используется технология тройного сжигания, тогда как в каталитическом блоке используется технология двойного сжигания. В целях обсуждения предположим, что эти блоки работают и работают одинаково — см. раздел «Объяснение технологии» ниже для получения более подробной информации о различиях.

Дровяные печи и дровяные вставки

По базовой технологии и функциональности дровяные печи и дровяные вставки практически не отличаются от . Теперь есть некоторые различия, но для понимания разницы в технологиях, скорости сжигания, эффективности и т. д. вы можете использовать термины «Плита» или «Вставка» взаимозаменяемо в уме.

Сравнение каталитических и некаталитических дровяных печей

На следующем графике показана разница в расходе топлива, температуре горения и общем времени горения гибридной каталитической дровяной печи Regency F2500 (синяя) по сравнению с некаталитической дровяной печью Regency F2450 (красная).

Как вы можете видеть, F2500 (гибридный каталитический) работает до 12 часов, поддерживает более высокую и стабильную тепловую мощность в течение более длительного периода и использует доступное топливо медленнее, чем F2450 (некаталитический).

Примечание: приведенный выше прожиг был выполнен при определенном наборе условий, и не все прожиги будут одинаковыми, он предназначен для использования только в демонстрационных целях, чтобы подчеркнуть разницу между каталитическими и некаталитическими моделями. Тепловая мощность и время горения будут варьироваться в зависимости от местных условий, установок и типа древесины.

 

Вопросы о времени записи и о том, как оно рассчитывается? Посмотрите, как Regency рассчитывает время горения.

 

Смотреть: Наша некаталитическая дровяная печь Regency F2450 горит 10 часов

Какая печь вам нужна – каталитическая или некаталитическая

Вот краткое руководство, которое поможет вам определить, стоит ли вам покупать каталитическую или некаталитическую дровяную печь.

Примечание. Самые эффективные и экологически чистые печи на рынке сегодня сертифицированы EPA 2020 и производят менее 2,5 граммов выбросов в час.

Каталитические печи/Гибридные каталитические печи идеально подходят для серьезных дровяных горелок, которым требуется более длительное горение в течение ночи. Если вы живете в очень холодном климате и/или используете свое устройство в качестве основного источника тепла в своем доме, или если вы являетесь экологически сознательным потребителем и ищете продукт для сжигания древесины с самым низким уровнем выбросов, гибридная каталитическая дровяная печь будет вам лучшим выбором. .

Некаталитические печи хорошо подходят тем, кто ищет простую традиционную дровяную печь. В отношении некаталитических печей следует учитывать, используете ли вы дровяную печь для дополнительного обогрева, не живете ли вы в очень холодном климате или используете дровяную печь только изредка. Кроме того, эти устройства лучше подходят для сдачи в аренду или загородного дома, так как управлять ими очень просто.

Чтобы получить экспертную консультацию о ваших конкретных потребностях в отоплении и о том, как выбрать каталитическую или некаталитическую дровяную печь для вашего применения, обратитесь к местному авторизованному дилеру Regency.

Объяснение технологии – в чем разница между каталитическим, некаталитическим и гибридным?

Разница между некаталитической, каталитической или гибридной каталитической печью заключается в способе сжигания топлива после первоначального сгорания. Каталитические и некаталитические печи сжигают топливо дважды — либо с катализатором, либо с воздушными трубками, тогда как гибридные каталитические печи сжигают топливо трижды — как с технологией воздушных трубок, так и с катализатором.

Что такое некаталитическая дровяная печь?

В некаталитической дровяной печи используются воздушные трубки и перегретый кислород для смешивания и вторичного сжигания газов и твердых частиц, выделяющихся при сжигании древесины. Это приводит к меньшему количеству выбросов и большей эффективности.

Преимущества некаталитических дровяных печей Regency

• Простота эксплуатации
• Высокоэффективный
• Среднее время горения
• 2020 Сертифицировано EPA
• Снижение выбросов на 96 %*
• Ограниченная пожизненная гарантия

Ищете некаталитическую дровяную печь? Ознакомьтесь с серией дровяных печей Regency Classic.

В чем разница между каталитической и гибридной каталитической дровяной печью?

В каталитической дровяной печи используется каталитическая камера сгорания для повторного сжигания газов и твердых частиц, выделяемых горящей древесиной. Эти газы проходят через каталитическую камеру сгорания, которая работает при очень высоких температурах, и сгорают, обеспечивая повышенную эффективность, меньшие выбросы и более длительное время горения.

В гибридной каталитической дровяной печи используются как воздушные трубы, так и каталитическая камера сгорания для трехкратного сжигания газов и твердых частиц, что приводит к чрезвычайно эффективному огню, очень ограниченным выбросам и максимальному времени горения. После первого сжигания газы и частицы горящего дерева смешиваются с перегретым воздухом и сжигаются вторично. После вторичного сгорания оставшиеся газы и твердые частицы направляются через каталитическую камеру сгорания, где они затем воспламеняются в третий и последний раз, удаляя практически все частицы и газы.