Su viaje puede ser modesto, pero si quema gasolina, tiene metales preciosos a bordo. Para reducir la contaminación en el tubo de escape, Los automóviles y camiones de gasolina hoy en día vienen equipados con convertidores catalíticos que contienen metales del grupo del platino como el rodio y el paladio.

La demanda de estos metales está aumentando a medida que los países de todo el mundo buscan reducir las emisiones de los vehículos que aceleran el cambio climático y empeoran la calidad del aire. Dado que una onza de rodio ahora cuesta más de $ 20, 000, no es una coincidencia que en todo Estados Unidos, Los robos de convertidores catalíticos van en aumento.

Un descubrimiento realizado por científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y la Universidad Estatal de Washington podría ayudar a reducir la cantidad de metales costosos necesarios para tratar los gases de escape de los vehículos al aprovechar al máximo cada átomo precioso. En un estudio publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition, Los investigadores demostraron éxito en la reducción de las emisiones de óxido de nitrógeno y monóxido de carbono utilizando al menos tres veces menos rodio en comparación con un catalizador típico.

"Lo que informamos aquí es contradictorio con la sabiduría convencional de que se necesitan átomos de rodio adyacentes entre sí, en forma de nanopartícula, para hacer esta química, "dijo Yong Wang, profesor de ingeniería química en la Universidad Estatal de Washington que ocupa un cargo conjunto en la PNNL. "Descubrimos que un solo átomo de rodio puede hacer un mejor trabajo de conversión de contaminantes que una nanopartícula de rodio".

Convirtiendo lo convencional

El trabajo en PNNL se relaciona con catalizadores de tres vías, llamado así por su capacidad para reducir el monóxido de carbono, oxido de nitrógeno, e hidrocarburos como el metano. El óxido de nitrógeno es uno de un conjunto de contaminantes conocidos como NO. _X , componentes del smog que también contribuyen indirectamente al calentamiento atmosférico. El monóxido de carbono en altas concentraciones es tóxico para los humanos. Dentro del convertidor catalítico de un vehículo, estos catalizadores interceptan y desmantelan dichos compuestos químicos antes de que lleguen al tubo de escape. Un catalizador de tres vías convertirá NO _X en nitrógeno y monóxido de carbono e hidrocarburos en dióxido de carbono.

Los sistemas de postratamiento basados ​​en dichos catalizadores se han utilizado durante décadas con motores de combustión interna. Pero además de los altos precios de los metales preciosos para construir estos sistemas, otro problema amenaza con reducir su eficacia. A medida que los vehículos consumen menos combustible, el escape no está tan caliente. Ese es un problema para los catalizadores convencionales que fueron diseñados para funcionar dentro de las altas temperaturas de los motores más antiguos; simplemente no funcionan tan bien a temperaturas más bajas.

El Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) se ha asociado con los fabricantes de automóviles nacionales para enfrentar el desafío de diseñar materiales que puedan convertir el 90% de las emisiones del tubo de escape a 150 grados Celsius (302 ° F), que se considera "baja temperatura" en el mundo del control de emisiones. Dichos materiales también deben ser lo suficientemente estables para soportar millas y millas de viaje.

Aislar átomos para aumentar la reactividad y la estabilidad

El estudio PNNL se basó en un trabajo anterior de Wang y sus colegas donde "atraparon" átomos individuales de platino en un soporte de dióxido de cerio. o ceria, un polvo que se usa a menudo en cerámica, calentando la combinación a 800 grados Celsius (1, 472 ° F). A temperaturas tan altas, los átomos de metal flotantes comenzarán a pegarse, reduciendo sus poderes catalíticos. Pero en este estudio, los átomos de platino se fijaron al soporte de ceria en lugar de entre sí. Estos átomos aislados reaccionaron con las sustancias objetivo de manera más efectiva que si se hubieran agrupado.

El estudio más reciente adoptó este mismo enfoque de captura de átomos con rodio. Los catalizadores con solo 0.1 por ciento en peso de rodio disperso atómicamente bajo condiciones modelo cumplieron con el desafío DOE de 150 grados Celsius, convertir el 100% de óxido de nitrógeno a temperaturas tan bajas como 120 grados Celsius.

"Enterrado en la literatura científica, Hay informes de la década de 1970 que muestran que los átomos de rodio aislados podrían realizar esta reacción, pero esos experimentos se hicieron en soluciones, y los átomos de rodio eran hidrotermalmente inestables, "dijeron Konstantin Khivantsev y Janos Szanyi, Investigadores de PNNL que dirigieron el estudio con Wang. "Lo que nos inspiró fue este nuevo enfoque para atrapar átomos a altas temperaturas. Con eso, pudimos demostrar por primera vez que los átomos de rodio individuales podían ser catalíticamente activos y estables ".

Los investigadores realizaron experimentos para el estudio en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL), una instalación nacional para usuarios científicos patrocinada por el programa de investigación biológica y ambiental del DOE. Utilizaron varios tipos de imágenes de alta resolución, incluyendo espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopio de transmisión por electrones, y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía, para verificar que los átomos de rodio se dispersaran individualmente y reaccionaran eficazmente con monóxido de carbono y óxido de nitrógeno.

Khivantsev, Szanyi, y Wang dijo que sus hallazgos abren un camino para hacer rentable, estable, y catalizadores de baja temperatura que usan rodio de manera mucho más eficiente que los actuales. Los científicos también están interesados ​​en extender el método a otros metales catalíticos menos costosos como el paladio y el rutenio.