Chất nền gốm là gì?

Vật liệu gốm đã đóng vai trò trung tâm trong việc kiểm soát khí thải trên phương tiện giao thông kể từ khi công nghệ này ra đời vào đầu những năm 1970, khi Corning phát triển cordierite tổng hợp và khuôn ép đùn cấu trúc tổ ong bằng gốm. Các chất nền dạng tổ ong được lấp đầy bởi hàng ngàn kênh nhỏ, song song, mở ở mỗi đầu, cho phép khí thải của xe đi qua. Những kênh này cung cấp diện tích bề mặt bên trong lớn để hỗ trợ hoạt động xúc tác. Khi chất nền có kích thước bằng một lon nước ngọt, bề mặt bên trong của nó (bao gồm cả lớp phủ có diện tích bề mặt lớn) có diện tích bề mặt xấp xỉ bằng một sân bóng bầu dục Mỹ.

Các chất nền này có thể chịu được nhiệt độ cao >1100°C (2000°F) và có khả năng chống sốc nhiệt cực tốt (do đó chúng có thể chịu được sự gia nhiệt nhanh chóng vào những buổi sáng lạnh giá). Các chất nền này rất dễ thích nghi và có thể chấp nhận nhiều loại công thức chất xúc tác khác nhau để loại bỏ ô nhiễm từ xăng, dầu diesel, khí tự nhiên, hydro và các loại nhiên liệu khác.

Bề mặt vật liệu hoàn thiện được phủ một lớp hỗn hợp các vật liệu xúc tác thích hợp, biến nó thành một phòng thí nghiệm hóa học thu nhỏ và cho phép xử lý hiệu quả lượng lớn khí thải. Ở nhiệt độ cao của động cơ đang hoạt động, khí thải như oxit nitơ và carbon monoxide gặp chất xúc tác và được chuyển hóa thành nitơ và nước vô hại, cùng với carbon dioxide ít độc hại hơn.

Các chất nền gốm thương mại đầu tiên có mật độ tế bào thấp (khoảng 200 tế bào/in2) với thành dày hơn (khoảng 12 mil hoặc 0,012” hoặc 0,3 mm) và thể tích chất nền gấp khoảng bốn lần thể tích xi lanh của động cơ. Khi công nghệ vật liệu và quy trình phát triển, mật độ tế bào cao hơn, thành mỏng hơn và độ xốp cao hơn đã trở nên khả thi.

Trong các mẫu xe sedan chạy xăng hoặc hybrid thông thường tại Mỹ hiện nay, có từ hai đến ba lớp vật liệu lọc hoạt động để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt của Mỹ. Ngay sau động cơ, các lớp vật liệu lọc đặt sát động cơ với mật độ tế bào cao cung cấp diện tích bề mặt hình học lớn, cho phép chất xúc tác thực hiện các chuyển đổi khí ban đầu. Ở vị trí dưới sàn xe, thường có lớp vật liệu lọc với mật độ tế bào thấp hơn để giúp làm sạch khí thải cuối cùng.