En un estudio reciente, un catalizador que utiliza uno o unos pocos átomos de paladio eliminó el 90 % del metano no quemado de los gases de escape de los motores de gas natural a bajas temperaturas. Si bien es necesario realizar más investigaciones, el avance en la catálisis de un solo átomo tiene el potencial de reducir las emisiones de escape de metano, uno de los peores gases de efecto invernadero que atrapa el calor a una tasa de aproximadamente 25 veces la del dióxido de carbono.
En un informe publicado en la revista Nature Catalysis, un esfuerzo de investigación entre la Universidad Estatal de Washington y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC mostró que el catalizador de un solo átomo pudo eliminar el metano del escape del motor a temperaturas más bajas, menos de 350 grados Celsius (662 grados Fahrenheit), mientras mantenía la estabilidad de la reacción a temperaturas más altas.
« Es casi un proceso de automodulación que supera milagrosamente los desafíos que la gente ha estado enfrentando: inactividad a baja temperatura e inestabilidad a alta temperatura », dijo Yong Wang, profesor de Regentes en la Escuela de Ingeniería Química y Bioingeniería Gene y Linda Voiland de WSU y autor correspondiente del artículo.
Los motores de gas natural se utilizan en alrededor de 30 a 40 millones de vehículos en todo el mundo y son populares en Europa y Asia. La industria del gas también los utiliza para hacer funcionar compresores que bombean gas natural a los hogares de las personas. Por lo general, se consideran más limpios que los motores de gasolina o diésel, ya que generan menos contaminación por carbono y partículas.
Sin embargo, cuando estos motores de gas natural se ponen en marcha, emiten metano que no se quema y atrapa el calor porque sus convertidores catalíticos no funcionan bien a bajas temperaturas. Los catalizadores para la eliminación de metano son ineficientes a temperaturas de escape más bajas o se degradan gravemente a temperaturas más altas.
« Hay un gran impulso hacia el uso de gas natural, pero cuando lo usa para motores de combustión, siempre habrá gas natural sin quemar del escape, y debe encontrar una manera de eliminarlo. De lo contrario, causa un calentamiento global más severo « , dijo el coautor Frank Abild-Pedersen, científico del personal del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC. « Si puede eliminar el 90% del metano del escape y mantener estable la reacción, eso es tremendo ».
Un catalizador de un solo átomo con los metales activos dispersos individualmente sobre un soporte también utiliza cada átomo de los metales preciosos y costosos, agregó Wang.
« Si puedes hacerlos más reactivos, esa es la guinda del pastel », dijo.
En su trabajo, los investigadores pudieron demostrar que su catalizador hecho de átomos de paladio individuales sobre un soporte de óxido de cerio eliminaba de manera eficiente el metano del escape del motor, incluso cuando el motor apenas estaba arrancando.
Descubrieron que pequeñas cantidades de monóxido de carbono que siempre están presentes en el escape del motor desempeñan un papel clave en la formación dinámica de sitios activos para la reacción a temperatura ambiente. El monóxido de carbono ayudó a que los átomos individuales de paladio migraran para formar grupos de dos o tres átomos que descomponen eficientemente las moléculas de metano a bajas temperaturas.
Luego, a medida que aumentaban las temperaturas de los gases de escape, los grupos de tamaño subnanómetro se redispersaron nuevamente en átomos individuales para que el catalizador fuera térmicamente estable. Este proceso reversible permite que el catalizador funcione de manera efectiva y utiliza cada átomo de paladio durante todo el tiempo que el motor estuvo funcionando, incluso cuando arrancó en frío.
« Realmente pudimos encontrar una manera de mantener el catalizador de paladio soportado estable y altamente activo y, gracias a la diversa experiencia del equipo, pudimos comprender por qué ocurría esto », dijo Christopher Tassone, científico del personal del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC y coautor del artículo.
Los investigadores están trabajando para seguir avanzando en la tecnología de catalizadores. Les gustaría comprender mejor por qué el paladio se comporta de una manera mientras que otros metales preciosos como el platino actúan de manera diferente.
La investigación tiene un camino por recorrer antes de que se coloque dentro de un automóvil, pero los investigadores están colaborando con socios de la industria, así como con el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico para algún día acercar el trabajo a la comercialización.
Además de Wang, Abild-Pedersen y Tassone, Dong Jiang, investigador asociado principal en la Escuela Voiland, también dirigió el trabajo. El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de los Estados Unidos.