La conservación del medio ambiente y la sostenibilidad futura requieren la innovación de los ingenieros químicos, desde ajustes a la estructura microscópica de los materiales hasta cambiar la forma en que se realiza la producción industrial a gran escala. Un desafío urgente es cómo mitigar los óxidos nítricos (NOx) que contaminan el medio ambiente emitidos por los motores y las industrias de los automóviles.

Un equipo dirigido por Chao Wang, profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Escuela de Ingeniería Whiting de la Universidad Johns Hopkins, ha descubierto una nueva forma de caracterizar cuantitativamente las estructuras atómicas de sitios activos dentro de materiales ampliamente utilizados en la industria como catalizadores, trabajo que sienta las bases para el diseño de fuentes de energía más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Sus resultados fueron publicados en el último número de Catálisis de la naturaleza .

"Con los conocimientos establecidos en nuestro trabajo, Podemos diseñar mejores catalizadores / materiales para mejorar la eficiencia energética y de conversión química de muchos procesos químicos. tales como el control de emisiones y la conversión de gas natural en alimentos químicos líquidos o combustibles, ", dijo Wang." El objetivo final es reducir las emisiones de los motores de combustión y los escapes y utilizar el gas natural de una manera más limpia y ecológica ".

En el estudio, el equipo de Wang trabajó con zeolitas intercambiadas con Cu, que se utilizan a menudo en procesos industriales, y que son muy prometedores como catalizadores económicos y eficientes que pueden romper o descomponer el óxido nítrico contaminante. Sin embargo, hasta ahora, la correlación entre la estructura de estos materiales y su comportamiento sigue siendo un misterio.

Primero, los investigadores sintetizaron varias zeolitas intercambiadas con Cu y utilizaron adsorción reactiva, utilizando espectroscopía para caracterizar la estructura atómica y las propiedades de adsorción de las zeolitas. Luego, utilizaron cálculos de la teoría de la función de densidad (DFT) para establecer una correlación lineal entre el análisis de adsorción y la cinética catalítica.

"El secreto de las zeolitas intercambiadas con Cu de alto rendimiento en la descomposición de NO recae en la sutil adsorción y compresión de las moléculas de NO que se encuentran en los dímeros de Cu. Es evolutivo que tales fenómenos se observen alguna vez, "dijo Wang.

En tales sistemas microporosos ZSM-5 intercambiados con Cu, como lo reveló el grupo Wang, la propiedad de adsorción y la energía de compresión, que son parámetros clave y que gobiernan el desempeño catalítico en la descomposición de NO, puede manipularse por el número de sitios diméricos y la distancia Cu-Cu promedio en los catalizadores de zeolita.

"Integramos tecnologías experimentales y computacionales de vanguardia para cuantificar primero los dímeros de Cu, medir la distancia media y predecir el rendimiento catalítico. Los catalizadores diméricos también son aplicables a otras reacciones industriales importantes como la oxidación del metano. Esperamos arrojar luz sobre el diseño y desarrollo de materiales catalíticos avanzados, "dijo Pengfei Xie, un científico investigador asistente en el laboratorio de Wang, y el primer autor del artículo.

Próximo, Wang planea aprovechar los descubrimientos en este trabajo para desarrollar nuevas tecnologías para la eliminación eficiente de óxidos de nitrógeno de los escapes a bajas temperaturas.

"Esto resolvería el gran desafío de las emisiones en los arranques en frío de los vehículos, " él explicó.