La próxima generación de convertidores catalíticos podría tener una vida útil más larga y necesitar menos materiales raros para funcionar, sugiere un nuevo estudio.

Los convertidores catalíticos convierten los gases nocivos del escape de un automóvil, incluido el monóxido de carbono y otros contaminantes, en vapor y otros subproductos más seguros, como dióxido de carbono y nitrógeno.

Un buen convertidor catalítico puede durar más de una década, pero según Cheng-Han Li, autor principal del estudio, siempre se puede mejorar. Dijo que las futuras tecnologías catalíticas podrían diseñarse para limpiar eficazmente los contaminantes durante un período de tiempo más largo.

"Queremos que los convertidores catalíticos tengan una mejor vida útil. De lo contrario, tendrán que ser reemplazados o no pasarán las pruebas de emisiones del gobierno", dijo Li, quien es estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Ohio.

El estudio fue publicado recientemente en la revista Chemistry of Materials .

Según el lugar donde viva, los estándares federales de emisión pueden variar. En 1975, para combatir el creciente problema del smog en las ciudades de los Estados Unidos, el Congreso aprobó una ley que establece que todos los vehículos deben tener convertidores catalíticos.

Aunque existen varios tipos, los convertidores catalíticos modernos utilizan una combinación de tres metales preciosos:paladio, platino y rodio. Estos catalizadores de tres vías pueden reducir el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO₂ ) emisiones:dos sustancias que, si se juntan, pueden crear NO_x , un compuesto químico que tiene efectos nocivos directos e indirectos sobre la salud humana.

El aumento de los precios de los tres metales preciosos, especialmente el rodio, es la razón por la que los delincuentes de todo el mundo han recurrido al robo de convertidores catalíticos. El rodio, que se encuentra con mayor frecuencia en las arenas de los ríos de América del Norte y del Sur, se considera el elemento más raro del mundo y es más valioso que el oro y el platino.

"El costo del rodio ha aumentado drásticamente en los últimos años debido al aumento de la demanda junto con un déficit de oferta fundamental", dice Li. Eso significa que los convertidores catalíticos pueden ser costosos de fabricar y doblemente costosos de reemplazar.

Y dado que los catalizadores a base de rodio son escasos, es imperativo que se utilicen con la mayor eficacia posible. Debido a que se sabe que los catalizadores se desactivan a altas temperaturas, los investigadores investigaron cómo cambia su rendimiento con el tiempo en presencia de altas temperaturas.

Para hacer esto, el equipo de Li realizó varias pruebas en los convertidores, incluso sometiéndolos a temperaturas superiores a los 1600 grados Fahrenheit. Si bien los catalizadores reales rara vez superan tales condiciones en un automóvil en movimiento, pueden experimentar esas temperaturas al menos ocasionalmente durante su vida útil, especialmente a medida que los convertidores envejecen.

Los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de transmisión para estudiar las microestructuras de los catalizadores de tres vías a nivel atómico y cómo se vieron afectados por el calor. "Al observar la microestructura, podemos establecer la conexión entre las altas temperaturas, el rendimiento real del convertidor y su microestructura", dijo Li.

Li señaló que los catalizadores de rodio están respaldados por óxidos como la alúmina y la ceria-zirconia, que ayudan a estabilizarlos.

A altas temperaturas con oxígeno, el rodio se disuelve en la alúmina y se degrada en la solución estable de aluminato de rodio. Esta solución, sin embargo, es químicamente inactiva, lo que significa que no puede eliminar los contaminantes y gases nocivos, lo que hace que el dispositivo sea efectivamente inútil.

Pero es reversible.

Cuando se expone al hidrógeno, parte del rodio vuelve a activarse, pero no lo suficiente como para que el catalizador vuelva a su eficiencia anterior.

Los hallazgos del estudio concluyeron que, a largo plazo, establecer un nuevo diseño que impida la formación de aluminato de rodio podría ayudar a aprovechar al máximo estos dispositivos. Esta comprensión profunda de la estructura del dispositivo también podría ayudar a informar mejores diseños para futuros convertidores catalíticos.

"Nuestros resultados brindan a los fabricantes de automóviles una dirección específica a seguir para optimizar el uso de catalizadores a base de rodio", dijo Li.

Los coautores fueron Jason Wu, Andrew Bean Getsoian y Giovanni Cavataio de Ford Motor Company, y Joerg Jinschek, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en el estado de Ohio. + Explora más

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