La prochaine génération de convertisseurs catalytiques pourrait avoir une durée de vie plus longue et nécessiter moins de matériaux rares pour fonctionner, selon une nouvelle étude.
Les convertisseurs catalytiques transforment les gaz nocifs de l’échappement d’une voiture, y compris le monoxyde de carbone et d’autres polluants, en vapeur et autres sous-produits plus sûrs, comme le dioxyde de carbone et l’azote.
Un bon convertisseur catalytique peut durer plus d’une décennie, mais selon Cheng-Han Li, auteur principal de l’étude, il y a toujours place à l’amélioration. Il a déclaré que les futures technologies catalytiques pourraient être conçues pour éliminer efficacement les polluants pendant une plus longue période.
« Nous voulons avoir une meilleure durée de vie pour les convertisseurs catalytiques. Sinon, ils devront être remplacés ou ne passeront pas les tests d’émission du gouvernement », a déclaré Li, qui est doctorant en science et ingénierie des matériaux à l’Ohio State University.
L’étude a été publiée récemment dans la revue Chimie des matériaux.
Selon l’endroit où vous vivez, les normes d’émission fédérales peuvent varier. En 1975, pour lutter contre le problème croissant du smog dans les villes des États-Unis, le Congrès a adopté une loi stipulant que tous les véhicules devaient être équipés de convertisseurs catalytiques.
Bien qu’il existe différents types, les convertisseurs catalytiques modernes utilisent une combinaison de trois métaux précieux : le palladium, le platine et le rhodium. Ces catalyseurs à trois voies peuvent réduire les émissions d’oxyde nitrique (NO) et de dioxyde d’azote (NO2), deux substances qui, mises ensemble, peuvent créer des NOx, un composé chimique qui a des effets nocifs directs et indirects sur la santé humaine.
La hausse des prix des trois métaux précieux, en particulier le rhodium, est la raison pour laquelle les criminels du monde entier ont eu recours au vol de convertisseurs catalytiques. Trouvé le plus souvent dans les sables des rivières d’Amérique du Nord et du Sud, le rhodium est considéré comme l’élément le plus rare au monde et a plus de valeur que l’or et le platine.
« Le coût du rhodium a augmenté de façon spectaculaire au cours des dernières années en raison de l’augmentation de la demande associée à un déficit fondamental de l’offre », explique Li. Cela signifie que les convertisseurs catalytiques peuvent être coûteux à fabriquer et doublement coûteux à remplacer.
Et puisque les catalyseurs à base de rhodium sont rares, il est impératif qu’ils soient utilisés aussi efficacement que possible. Parce que les catalyseurs sont connus pour se désactiver à des températures élevées, les chercheurs ont étudié comment leurs performances changent avec le temps en présence de chaleur élevée.
Pour ce faire, l’équipe de Li a effectué plusieurs tests sur les convertisseurs, notamment en leur faisant supporter des températures supérieures à 1600 degrés Fahrenheit. Bien que les vrais catalyseurs dépassent rarement de telles conditions dans une voiture en mouvement, ils peuvent subir ces températures au moins occasionnellement au cours de leur durée de vie, en particulier à mesure que les convertisseurs vieillissent.
Les chercheurs ont utilisé un microscope électronique à transmission pour étudier les microstructures des catalyseurs à trois voies au niveau atomique et comment ils étaient affectés par la chaleur. « En observant la microstructure, nous pouvons établir le lien entre la chaleur élevée, les performances réelles du convertisseur et sa microstructure », a déclaré Li.
Li a noté que les catalyseurs au rhodium sont supportés par des oxydes comme l’alumine et la cérium-zircone, qui aident à les stabiliser.
À haute température avec de l’oxygène, le rhodium se dissout dans l’alumine et se dégrade dans la solution stable d’aluminate de rhodium. Cette solution, cependant, est chimiquement inactive, ce qui signifie qu’elle ne peut pas éliminer les polluants et les gaz nocifs, ce qui rend l’appareil effectivement inutile.
Mais c’est réversible.
Lorsqu’il est exposé à l’hydrogène, une partie du rhodium redevient active, mais pas assez pour ramener le convertisseur catalytique à son efficacité antérieure.
Les résultats de l’étude ont conclu qu’à long terme, l’établissement d’une nouvelle conception qui empêche la formation d’aluminate de rhodium pourrait aider à tirer le meilleur parti de ces dispositifs. Cette compréhension approfondie de la structure de l’appareil pourrait également aider à mieux concevoir les futurs convertisseurs catalytiques.
« Nos résultats donnent aux constructeurs automobiles une direction spécifique à suivre pour optimiser l’utilisation des catalyseurs à base de rhodium », a déclaré Li.
Les co-auteurs étaient Jason Wu, Andrew Bean Getsoian et Giovanni Cavataio de la Ford Motor Company, et Joerg Jinschek, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux à l’Ohio State.
Cheng-Han Li et al, Observation directe de l’aluminate de rhodium (RhAlOx) et son rôle dans la désactivation et la régénération de Rh/Al2O3 dans des conditions de catalyseur à trois voies, Chimie des matériaux (2022). DOI : 10.1021/acs.chemmater.1c03513