Los átomos de paladio individuales adheridos a la superficie de un catalizador pueden eliminar el 90 % del metano no quemado de los gases de escape de los motores de gas natural a bajas temperaturas, informaron los científicos hoy en la revista Nature Catalysis.

Si bien es necesario realizar más investigaciones, dijeron, 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 velocidad 25 veces mayor que la del dióxido de carbono.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Washington demostraron que el catalizador eliminó el metano del escape del motor tanto a las temperaturas más bajas donde los motores arrancan como a las temperaturas más altas donde operan de manera más eficiente, pero donde los catalizadores a menudo se descomponen.

« 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 uno de los cuatro autores principales del artículo.

Una fuente creciente de contaminación por metano

Los motores que funcionan con gas natural alimentan entre 30 y 40 millones de vehículos en todo el mundo y son populares en Europa y Asia. La industria del gas natural también los utiliza para hacer funcionar compresores que bombean gas 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 los motores de gas natural arrancan, emiten metano que no se quema y atrapa el calor porque sus convertidores catalíticos no funcionan bien a bajas temperaturas. Los catalizadores actuales para la eliminación de metano son ineficientes a temperaturas de escape más bajas o se degradan severamente 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 tiene que encontrar una manera de eliminarlo. De lo contrario, causa un calentamiento global más severo », dijo el coautor Frank Abild-Pedersen, científico del personal de SLAC y codirector del Centro SUNCAT para Ciencia de Interfaz y Catálisis del laboratorio, que se administra conjuntamente con la Universidad de Stanford. « Si puede eliminar el 90% del metano del escape y mantener estable la reacción, eso es tremendo ».

Un catalizador con átomos individuales del metal químicamente activo dispersos en un soporte también utiliza cada átomo del metal precioso y costoso, agregó Wang.

« Si puedes hacerlos más reactivos », dijo, « eso es la guinda del pastel ».

Ayuda inesperada de un compañero contaminante

En su trabajo, los investigadores demostraron 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.

También descubrieron que las cantidades mínimas 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 aumentaba la temperatura de los gases de escape, los grupos se dividían en átomos individuales y se redispersaban, de modo que el catalizador era térmicamente estable. Este proceso reversible permitió que el catalizador funcionara de manera efectiva y usó 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 entender por qué estaba ocurriendo esto », dijo Christopher Tassone, científico del personal de SLAC.

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 del DOE para acercar el trabajo a la comercialización.

Junto con Wang, Abild-Pedersen y Tassone, Dong Jiang, investigador asociado senior en la Escuela Voiland de WSU, también dirigió el trabajo. El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE e incluyó investigaciones realizadas en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, la fuente de fotones avanzados (APS) del Laboratorio Nacional de Argonne y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), que son todas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.