Bạch kim, paladi, rodi: kim loại quý trong bộ xúc tác ống xả xe

Bộ xúc tác khí thải trên ô tô dùng bạch kim, paladi và rodi vì ba kim loại quý này cực kỳ trơ, không bị khí nóng ăn mòn, nhưng lại giúp các phản ứng biến khí độc thành khí ít độc xảy ra nhanh ở nhiệt độ ống xả. Chỉ vài gam kim loại quý trải mỏng trên một khối gốm tổ ong đủ chuyển phần lớn cacbon mônôxít, hiđrocacbon chưa cháy và nitơ ôxít thành cacbon điôxít, hơi nước và nitơ. Bạch kim nóng chảy ở khoảng 1.768 °C, paladi khoảng 1.555 °C, rodi khoảng 1.964 °C.

Nhóm kim loại bạch kim gồm những kim loại nào?

Sáu nguyên tố thường đi cùng nhau trong quặng và có tính chất gần giống nhau được gọi chung là nhóm kim loại bạch kim:

Osmi và iriđi là hai nguyên tố đặc nhất mà con người biết, nặng gấp đôi chì. Cả nhóm hiếm trong vỏ Trái Đất và tập trung ở rất ít vùng mỏ: phần lớn bạch kim và rodi thế giới đến từ Nam Phi, phần lớn paladi đến từ Nam Phi và Nga.

Bộ xúc tác ba tác dụng hoạt động thế nào?

Trên đường ống xả ô tô xăng, sau cụm động cơ một đoạn, có một hộp kim loại chứa khối gốm hình trụ khoan hàng trăm kênh nhỏ song song như tổ ong. Thành các kênh được phủ một lớp "áo" xốp làm từ nhôm ôxít và xeri ôxít, trên đó rải các hạt bạch kim, paladi, rodi cỡ nanomet. Khí thải đi qua kênh, chạm vào các hạt kim loại quý, và ba phản ứng diễn ra cùng lúc (vì vậy gọi là "ba tác dụng"):

1. Cacbon mônôxít (CO) bị ôxy hoá thành cacbon điôxít.
2. Hiđrocacbon chưa cháy hết bị ôxy hoá thành cacbon điôxít và hơi nước.
3. Nitơ ôxít (NOx) bị khử thành khí nitơ.

Bạch kim và paladi giỏi việc ôxy hoá, rodi giỏi việc khử nitơ ôxít. Xeri ôxít trong lớp áo như một "kho" ôxy nhỏ: nhận ôxy khi khí thải dư, nhả ra khi khí thải thiếu, giúp ba phản ứng giữ cân bằng.

Bộ xúc tác chỉ làm việc tốt trong hai điều kiện. Thứ nhất, đủ nóng: thường phải trên khoảng 250–300 °C mới bắt đầu hoạt động hiệu quả, nên những phút đầu sau khi nổ máy nguội là lúc xe thải nhiều nhất. Thứ hai, hỗn hợp nhiên liệu – không khí phải gần đúng tỷ lệ cháy vừa đủ (khoảng 14,7 phần không khí cho 1 phần xăng theo khối lượng). Cảm biến ôxy đặt trước và sau bộ xúc tác báo về máy tính động cơ để chỉnh lượng phun xăng liên tục.

Vì sao kim loại quý lại làm được việc này?

Xúc tác không bị tiêu hao trong phản ứng. Bề mặt bạch kim hút nhẹ các phân tử khí lên, làm yếu các liên kết trong phân tử, để chúng phản ứng với nhau ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với khi tự gặp nhau trong không khí. Điều then chốt là kim loại phải "giữ" phân tử vừa đủ: giữ quá yếu thì không có tác dụng, giữ quá chặt thì sản phẩm không rời đi được. Nhóm bạch kim nằm đúng chỗ cân bằng ấy, lại không bị gỉ hay hoà tan trong khí nóng, axit, hơi nước.

Kẻ thù của bộ xúc tác là những chất bám chặt lên bề mặt kim loại quý, chiếm chỗ của khí thải: chì (vì thế xe có bộ xúc tác bắt buộc dùng xăng không chì), lưu huỳnh trong nhiên liệu kém chất lượng, phốt pho và kẽm từ dầu nhớt bị cháy khi động cơ hao dầu. Nhiệt độ quá cao do bỏ máy (nhiên liệu không cháy trong xi lanh mà cháy trong bộ xúc tác) còn có thể làm chảy cả khối gốm.

Bộ xúc tác chứa bao nhiêu kim loại quý?

Lượng kim loại quý trong một bộ xúc tác ô tô con thường chỉ vài gam, tuỳ cỡ động cơ và tiêu chuẩn khí thải. Nhưng vì có hàng chục triệu xe mới mỗi năm, ngành ô tô là nơi tiêu thụ kim loại nhóm bạch kim lớn nhất: phần lớn paladi và rodi khai thác trên thế giới đi vào bộ xúc tác, và một phần đáng kể bạch kim cũng vậy. Xe chạy dầu diesel dùng thêm các bộ lọc và xúc tác khác, tỷ lệ bạch kim cao hơn.

Vì giá trị lớn, bộ xúc tác của xe hết hạn sử dụng được thu hồi và đưa về nhà máy tinh luyện để tách kim loại quý bằng luyện hoả và hoá học. Đây là một nguồn "mỏ đô thị" quan trọng của nhóm bạch kim, vận hành trong nhà máy có xử lý khí độc.

Bugi bạch kim, bugi iriđi khác bugi thường thế nào?

Bugi đánh lửa mỗi lần xi lanh nổ, hàng nghìn lần mỗi phút. Tia lửa điện làm mòn dần điện cực. Bugi thường có điện cực hợp kim niken, mòn tương đối nhanh. Bugi đầu bạch kim hoặc iriđi dùng một mẩu kim loại quý nhỏ, rất cứng, chảy ở nhiệt độ rất cao, nên điện cực có thể làm mảnh hơn, đánh lửa dễ hơn và giữ khe hở lâu hơn. Tuổi thọ thường dài gấp vài lần bugi thường; số kilômét thay cụ thể nên theo sổ bảo dưỡng của từng xe.

Bạch kim còn đo nhiệt độ kim loại lỏng ra sao?

Cặp nhiệt điện là hai dây kim loại khác nhau hàn chung một đầu; khi đầu đó nóng lên, hai dây sinh ra một điện áp nhỏ tỷ lệ với nhiệt độ. Muốn đo thép lỏng trên 1.500 °C, dây đồng hay niken thông thường đã chảy mất. Các xưởng luyện thép dùng cặp nhiệt điện bạch kim – bạch kim pha rodi: đầu đo gắn trên cần dài, nhúng nhanh vào nồi thép lỏng vài giây rồi bỏ đầu đo dùng một lần. Bạch kim cũng là vật liệu của nhiệt kế điện trở chính xác trong phòng thí nghiệm và nhà máy.

Ở nhà máy sợi thủy tinh, thủy tinh lỏng chảy qua những tấm hợp kim bạch kim – rodi đục hàng nghìn lỗ nhỏ để kéo thành sợi, vì chỉ hợp kim này chịu được thủy tinh nóng chảy mà không bị ăn mòn.

Bạch kim, vàng trắng và "mạ rodi" khác nhau ra sao?

Bạch kim là một kim loại riêng, trắng tự nhiên. Vàng trắng là vàng pha thêm kim loại màu trắng (như paladi), thường được mạ một lớp rodi rất mỏng bên ngoài cho trắng sáng; lớp mạ có thể mòn theo thời gian và cần mạ lại. Đồ bạc cũng hay được mạ rodi để đỡ xỉn. Cách định tuổi vàng, hàm lượng kim loại quý trong trang sức thuộc một trang khác; ở đây chỉ cần nhớ: rodi thường chỉ là lớp áo mỏng vài phần mười micromet, không phải cả món đồ.

Góc nhìn hôm nay: kim loại hiếm giữ không khí sạch

Bạch kim còn gắn với một chuyện lịch sử đo lường: từ năm 1889, kilôgam chuẩn quốc tế là một khối trụ hợp kim 90% bạch kim, 10% iriđi cất ở gần Paris, được chọn vì bền, đặc và gần như không đổi theo thời gian. Năm 2019, kilôgam được định nghĩa lại theo hằng số Planck, khối trụ ấy về hưu.

Ngày nay, nhóm bạch kim đứng trước hai xu hướng: xe điện không cần bộ xúc tác khí thải sẽ giảm nhu cầu paladi, rodi; trong khi pin nhiên liệu hydro và máy điện phân nước sản xuất hydro lại cần bạch kim, iriđi. Với chủ xe, cách giữ bộ xúc tác bền đơn giản là dùng nhiên liệu đúng tiêu chuẩn, sửa sớm khi động cơ bỏ máy hay hao dầu, và không tự ý tháo bỏ bộ xúc tác.