La niebla tóxica se aclara en el diseño del catalizador de los gases de escape de los coches
Un estudio sistemático resuelve el debate sobre la mejor combinación de metales para limpiar catalíticamente el NOx de las emisiones de los vehículos
Las sustancias químicas productoras de smog podrían eliminarse casi por completo de los tubos de escape de los coches y furgonetas diésel, utilizando un nuevo concepto de catalizador de escape desarrollado en la KAUST. Tras estudiar sistemáticamente múltiples composiciones de catalizadores, el equipo de investigación identificó la receta atómica ideal para eliminar catalíticamente los NOx de las emisiones de los vehículos. Los resultados resuelven un debate en curso sobre los átomos aditivos en la mezcla del catalizador.
Los resultados recientes de un estudio sistemático revelan la combinación óptima de metales para potenciar la eliminación catalítica de NOx de las emisiones de escape de los motores diesel.
© 2022 KAUST; Ella Maru Studio
Los recientes avances en el diseño de motores de alta eficiencia, junto con el endurecimiento de las normativas sobre emisiones de vehículos, exigen la mejora de los catalizadores de escape de los motores. Los catalizadores de NOx de la generación actual para motores diésel pequeños funcionan de forma óptima por encima de los 200 grados Celsius. Ahora se necesitan catalizadores que funcionen a temperaturas más bajas. Dichos catalizadores deben eliminar rápidamente los NOx tras un arranque en frío y asociarse a los nuevos motores de combustión de baja temperatura.
Para desarrollar una nueva generación de catalizadores de NOx mejorados, la empresa de control de emisiones de automóviles Umicore se asoció con un equipo de investigación del Centro de Catálisis de la KAUST, dirigido por Javier Ruiz-Martínez, para optimizar el diseño del catalizador.
"Investigamos materiales basados en el manganeso por su buen rendimiento y bajo coste", explica Ruiz-Martínez. Los catalizadores de NOx basados en el manganeso han utilizado habitualmente el cerio como dopante, a pesar de que no había consenso sobre el papel del cerio en la eliminación de NOx. "La mejor manera de desarrollar nuevos catalizadores es entender primero cómo funcionan esos materiales", dice Ruiz-Martínez. Así pues, el equipo produjo una serie de catalizadores, que incorporaban distintas cantidades de cerio, para zanjar el debate.
El equipo estableció primero métodos para producir cada catalizador con una nanoestructura homogénea que permitiera compararlos. "Tras asegurarnos de que los materiales del catalizador eran los que habíamos diseñado, buscamos correlaciones entre la actividad catalítica y la cantidad de cerio y manganeso", dice Ruiz-Martínez. Tras tener en cuenta las diferencias en la superficie del catalizador, el equipo demostró que la presencia de cerio reducía la actividad catalítica de los átomos de manganeso.
En estudios anteriores, en los que el cerio parecía potenciar la eliminación catalítica de NOx, el aparente efecto positivo del cerio desapareció una vez que el equipo tuvo en cuenta su impacto en la superficie del catalizador. Sin embargo, el cerio tuvo un beneficio: suprimir una reacción secundaria no deseada que produce O. Como la formación de N2O probablemente requiere la participación de dos sitios de manganeso vecinos, la adición de cerio puede diluir el número de sitios de manganeso en la superficie y así suprimir la reacción.
"Nuestros hallazgos muestran que el diseño de materiales catalizadores más activos requiere la maximización de los átomos de manganeso en la superficie del catalizador y que estos átomos de manganeso estén atómicamente espaciados para evitar la formación de N2O", afirma Ruiz-Martínez. "Ahora estamos diseñando catalizadores con manganeso atómicamente disperso en la superficie, y los resultados son muy prometedores".
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