Los investigadores han descubierto un nuevo mecanismo de reacción que podría usarse para mejorar los diseños de catalizadores para los sistemas de control de la contaminación para reducir aún más las emisiones de óxidos de nitrógeno que causan el smog en los gases de escape de diesel.

La investigación se centra en un tipo de catalizador llamado zeolitas, caballos de batalla en refinerías de petróleo y químicas y en sistemas de control de emisiones para motores diesel.

Se necesitan nuevos diseños de catalizadores para reducir la emisión de óxidos de nitrógeno, o NOx, porque las tecnologías actuales solo funcionan bien a temperaturas relativamente altas.

"El desafío clave en la reducción de emisiones es que pueden ocurrir en una amplia gama de condiciones operativas, y especialmente las temperaturas de escape, "dijo Rajamani Gounder, el Profesor Asistente Larry y Virginia Faith de Ingeniería Química en la Escuela de Ingeniería Química Davidson de la Universidad de Purdue. "Quizás el mayor desafío esté relacionado con la reducción de NOx a bajas temperaturas de escape, por ejemplo, durante el arranque en frío o en conducción urbana congestionada ".

Sin embargo, además de estas condiciones "transitorias", los vehículos del futuro operarán naturalmente a temperaturas más bajas todo el tiempo porque serán más eficientes.

"Por lo tanto, necesitaremos catalizadores que funcionen mejor no solo en condiciones transitorias, pero también durante temperaturas de escape más bajas sostenidas, "Dijo Gounder.

Codirigió un equipo de investigadores que descubrió una propiedad esencial del catalizador para que pueda convertir los óxidos de nitrógeno. Los hallazgos se publicarán en línea en la revista. Ciencias el jueves (17 de agosto) y aparecerá en una edición impresa posterior de la revista.

"Los resultados aquí apuntan a un mecanismo catalítico no reconocido previamente y también apuntan a nuevas direcciones para descubrir mejores catalizadores, "dijo William Schneider, el profesor de ingeniería H. Clifford y Evelyn A. Brosey en la Universidad de Notre Dame. "Esta es una reacción de gran importancia ambiental que se utiliza para limpiar los gases de escape".

El trabajo fue realizado por investigadores de Purdue, Notre Dame y Cummins Inc., un fabricante de motores diesel.

"Cummins ha estado apoyando la investigación de ingeniería química de Purdue relacionada con la reducción de las emisiones del motor durante los últimos 14 años, "dijo Aleksey Yezerets, director de Catalyst Technology en Cummins. "Esta publicación muestra un ejemplo de los muchos conocimientos sobre estos complejos procesos en los que hemos trabajado juntos a lo largo de los años".

Las zeolitas tienen una estructura cristalina que contiene poros diminutos de aproximadamente 1 nanómetro de diámetro que están llenos de "sitios activos" de átomos de cobre donde tiene lugar la química. En los nuevos hallazgos, Los investigadores descubrieron que el amoníaco introducido en el escape "solvata" estos iones de cobre para que puedan migrar dentro de los poros. encontrarnos, y realizar una etapa catalítica que de otro modo no sería posible.

Estos complejos de cobre-amoníaco aceleran una reacción crítica de ruptura de enlaces de moléculas de oxígeno, que actualmente requiere una temperatura de escape de aproximadamente 200 grados Celsius para que ocurra de manera efectiva. Los investigadores están tratando de reducir esta temperatura a unos 150 grados centígrados.

"La razón por la que toda esta química funciona es porque los sitios de cobre únicos aislados se unen, y trabajar en conjunto para llevar a cabo un paso difícil en el mecanismo de reacción, ", Dijo Gounder." Es un proceso dinámico que involucra sitios únicos de cobre que se unen para formar pares durante la reacción para activar las moléculas de oxígeno, y luego volver a ser sitios aislados después de que se complete la reacción ".

Este paso de limitación de velocidad podría acelerarse ajustando la distribución espacial de los iones de cobre, conduciendo a menores emisiones de óxido de nitrógeno a temperaturas más frías de lo que ahora es posible.

Para hacer estos descubrimientos, los investigadores necesitaban técnicas que pudieran "ver" los átomos de cobre mientras ocurría la reacción catalítica. Ninguna técnica puede lograr esto, por lo que combinaron información de estudios que utilizan rayos X de alta energía en un sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Argonne, con modelos computacionales de nivel molecular realizados en supercomputadoras en el Centro de Investigación en Computación de Notre Dame y el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico.

"Más alla de una duda, No podríamos haber hecho estos descubrimientos sin un equipo diverso y estrechamente integrado y sin acceso a algunas de las herramientas informáticas y de laboratorio más poderosas del país. "dijo Schneider.

Aunque el proyecto se centra en las aplicaciones de reducción de la contaminación "en la carretera", la mayor cuota de mercado de los catalizadores de zeolita se encuentra en las refinerías de petróleo. El descubrimiento tiene implicaciones para la "catálisis heterogénea, "que se utiliza ampliamente en la industria.

"La mayoría de los procesos catalíticos de la industria utilizan tecnología heterogénea, "Dijo Gounder.

El documento fue escrito por los estudiantes graduados de Purdue, Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio y Jonatan D. Albarracin-Caballero; Estudiantes graduados de la Universidad de Notre Dame Christopher Paolucci, Sichi Li y Hui Li; Yezerets; El profesor de ingeniería química de Purdue, Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Maxine Spencer Nichols, profesora emérita de ingeniería química de Purdue; Fabio H. Ribeiro, R. Norris y Eleanor Shreve Profesor de Ingeniería Química de Purdue; Schneider; y Gounder.

La investigación ha sido financiada por la National Science Foundation y por Cummins Inc.

"Esta investigación es parte de nuestra misión como universidad de concesión de tierras, ", Dijo Gounder." Trabajamos con empresas en el estado de Indiana, y este trabajo fue parte esencial en la educación de muchos estudiantes ".