Los automóviles modernos dependen de convertidores catalíticos para eliminar el monóxido de carbono, hidrocarburos y otros productos químicos nocivos de las emisiones de escape.

Para ello, se basan en metales costosos que tienen propiedades químicas especiales que disminuyen su eficacia con el tiempo. El profesor asistente Matteo Cargnello y el candidato a doctorado Emmett Goodman lideraron recientemente un equipo que ha propuesto una nueva forma de reducir el costo y extender la vida útil de estos materiales. resolver un problema que ha molestado a los ingenieros automotrices durante años. En el proceso, Cargnello y sus colegas han hecho algo notable:hicieron un gran avance en un campo maduro donde el cambio se produce lentamente, como mucho.

¿Qué hay que mejorar sobre los convertidores catalíticos?

Un convertidor catalítico nuevo puede costar $ 1, 000 o más, lo que lo convierte en una de las piezas individuales más caras de cualquier automóvil. Son costosos porque utilizan metales costosos como el paladio para promover las reacciones químicas que limpian los gases de escape. El paladio cuesta alrededor de $ 50 el gramo, más que el oro, y cada convertidor catalítico contiene alrededor de 5 gramos. Los metales como el paladio son catalizadores, una clase especial de materiales que aceleran las reacciones químicas pero no se cambian químicamente. En teoria, los catalizadores se pueden utilizar una y otra vez, indefinidamente. En la práctica, sin embargo, el rendimiento de los catalizadores se degrada con el tiempo. Para compensar, nos vemos obligados a utilizar más de estos costosos metales por adelantado, agregando al costo. Nuestro objetivo es comprender mejor las causas de esta degradación y cómo contrarrestarla.

¿Por qué se estropean los catalizadores?

Idealmente, Los catalizadores deben diseñarse para tener la mayor superficie posible para promover el mayor número de reacciones químicas. Entonces, Los fabricantes suelen esparcir muchas partículas pequeñas sobre la superficie de un convertidor catalítico nuevo. De investigaciones pasadas sabemos que, tiempo extraordinario, los átomos de metal comienzan a moverse, formando partículas cada vez más grandes que ofrecen menos superficie, y por lo tanto se vuelven menos efectivos. A este proceso de aglutinación lo llamamos "sinterización". Para contrarrestar la sinterización, Los fabricantes usan cantidades excesivas de metal para que el convertidor cumpla con los estándares de emisiones durante los 10 o 15 años de vida útil de un automóvil. Nuestro equipo ha descubierto que la sinterización no es la única causa de desactivación. De hecho, este nuevo mecanismo de desactivación resulta ser todo lo contrario a la sinterización. En algunas circunstancias, en lugar de que las partículas se agranden, se descomponen en partículas más pequeñas y eventualmente se convierten en átomos individuales que son esencialmente inactivos. Este es un nuevo entendimiento que creemos que nadie ha presentado antes, y nos impulsó a buscar una forma completamente nueva de maximizar la vida útil y el rendimiento de los metales en los convertidores catalíticos.

¿Qué podemos hacer para que los catalizadores duren más?

Nuestra investigación sugiere que si controlamos cuidadosamente tanto el tamaño como el espaciado de las partículas metálicas, Las partículas de paladio no se sinterizarán en grandes grupos ni se descompondrán en átomos individuales. Previamente, Mucha gente en la comunidad de catálisis pensó que si quieres hacer que las partículas sean estables, había que mantenerlos lo más separados posible para evitar la migración de las partículas. Confundimos esta noción al reunir un equipo colaborativo que estudió la degradación de una manera nueva. Aaron Johnston-Peck del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología utilizó microscopía avanzada para ayudar a visualizar la presencia de átomos individuales. Simon Bare del SLAC National Accelerator Laboratory utilizó técnicas de rayos X para demostrar que los materiales catalíticos comienzan como partículas y terminan como átomos individuales. Para poner estos resultados experimentales en un marco teórico, Trabajamos con Frank Abild-Pedersen del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis y SLAC, y Philipp Plessow del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania. Tenían los recursos computacionales para ayudarnos a simular el mecanismo de desactivación a escala atómica. En el final, Hemos proporcionado una base científica que podría hacer posible mantener la reducción de la contaminación utilizando menos metales preciosos y reduciendo los costos de los convertidores catalíticos. Si los ingenieros automotrices finalmente confirman e implementan estos hallazgos, sería una gran ventaja para los consumidores a largo plazo.