Оценка рабочих характеристик SCR с применением синтезированного катализатора Fe2O3–SiO2/Al2O3 для эффективного снижения выбросов дизельных двигателей

Очищение воздуха от повседневных двигателей

Дизельные двигатели приводят в движение автобусы, грузовики, сельскохозяйственную технику и многие небольшие генераторы, но они также выбрасывают газы и сажу, вредные для лёгких и способствующие глобальному потеплению. В то же время по всему миру накапливаются горы пластиковых отходов. В этом исследовании рассматривается способ борьбы с обеими проблемами одновременно: превращать пластиковые отходы в топливо и затем очищать образующиеся выхлопы с помощью нового недорогого устройства, которое удаляет токсичные газы до их попадания в атмосферу.

Почему с дизельными выхлопами трудно справиться

Современные нормы в Европе и других регионах требуют, чтобы дизельные транспортные средства значительно сокращали выбросы оксидов азота (NOx), угарного газа (CO), несгоревших углеводородов (HC) и дыма. Одна из передовых технологий, селективное каталитическое восстановление (SCR), уже снижает NOx, реагируя с аммиаком, который получают из раствора мочевины, вводимого в поток выхлопных газов. Однако большинство коммерческих систем SCR опираются на дорогие благородные металлы или на соединения ванадия, которые могут быть токсичны и работать только в узком температурном диапазоне. Задача усложняется, когда дизель смешивают с маслом из пластиковых отходов: такие смеси горят более горячо и неравномерно, что приводит к дополнительным выбросам NOx и несгоревшего топлива, которые требуют очистки после сгорания.

Создание катализатора из обычных минералов

Исследователи разработали иной тип блока SCR, выполненного из оксида железа в сочетании с диоксидом кремния и оксидом алюминия, все компоненты получены из недорогих материалов, таких как морской песок и летучая зола угля. Вместо нанесения тонкого активного слоя на инертную керамику они сформировали сам активный материал в прочную сотовую форму, которую можно установить непосредственно в выпускной трубе. Микроскопические и спектроскопические исследования показали, что атомы железа тонко дисперсированы внутри мезопористой структуры с хорошим балансом кислотных и редокс-центров, которые способствуют встрече и реакции аммиака и NOx. Эта структура остаётся стабильной в интервале примерно от 150 до 600 градусов Цельсия, охватывая полный температурный диапазон, характерный для малого дизельного двигателя.

Испытание нового блока в реальном двигателе

Чтобы увидеть, как система работает вне лаборатории, команда установила сотовый блок в выпускной трубе одноцилиндрового дизельного двигателя мощностью 5,2 кВт. Двигатель работали на обычном дизеле и на смеси 50–50 дизеля и масла, полученного из пластика, с включённым и отключённым катализатором, при этом вводили мочевину для генерации аммиака в реакциях SCR. Газоанализаторы измеряли NO, CO, HC, углекислый газ и дым до и после блока. При различных нагрузках катализатор снижал выбросы NO примерно на 68 процентов для чистого дизеля и на 75 процентов для пластиковой смеси, достигая около 85 процентов снижения NO при полной нагрузке. Одновременно HC, CO и дым уменьшались примерно на 55–65, 45–55 и 55–60 процентов соответственно, без ущерба для топливной экономичности.

Как маленькие поры выполняют основную работу

Исследования поверхности показали внутренний механизм работы блока. В порах располагаются железные центры, которые быстро меняют степени окисления и захватывают молекулы NO, в то время как рядом расположенные кислотные области удерживают аммиак. На поверхности адсорбированные частицы реагируют через пошаговый механизм с образованием азота и воды, а не нежелательных побочных продуктов. Хотя введение железа несколько уменьшило общую измеренную удельную поверхность, это создало больше полезных активных участков и оставило их доступными для выхлопных газов. Испытания до и после длительной эксплуатации двигателя показали, что структура и работоспособность сот практически не изменились, что указывает на высокую термостойкость и устойчивость к спеканию или обрушению при высоких температурах выхлопных газов.

Чище для двигателей и пластиковых отходов

Для неспециалиста главный вывод таков: простой блок из железа и распространённых минеральных окислов может соперничать или даже превосходить некоторые системы на основе благородных металлов и ванадия в очистке дизельных выхлопов, при этом стоить дешевле и обходиться без токсичных компонентов. Он работает в широком диапазоне температур, справляется как с обычным дизелем, так и с топливом из пластиковых отходов, резко снижая вредные газы и дым без существенного увеличения расхода топлива. При масштабировании и дальнейшей оптимизации такой катализатор может помочь сократить загрязнение от повседневных двигателей и поддержать более циркулярное использование пластиковых отходов.

Цитирование: Premkumar, S., Panneerselvam, S., Balasubramanian, D. et al. An evaluation of the performance characteristics of SCR utilizing a Fe₂O₃–SiO₂/Al₂O₃ synthesized catalyst for effective diesel engine exhaust emission reduction. Sci Rep 16, 13932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43472-1

Ключевые слова: дизельные выхлопы, селективное каталитическое восстановление, катализатор на основе оксида железа, топливо из пластиковых отходов, контроль выбросов