A la luz de los contaminantes vehiculares que contribuyen a la disminución de la calidad del aire, los gobiernos de todo el mundo están planteando normas de emisión más estrictas para los automóviles. Esto exige el desarrollo de sistemas de postratamiento de gases de escape más eficientes (es decir, sistemas para «limpiar» los gases de escape antes de que se liberen a la atmósfera). El modo más común para tratar las emisiones de escape de los motores de combustión interna alimentados con gasolina son los catalizadores de tres vías (TWC) o convertidores catalíticos. Los TWC a menudo comprenden metales activos como nanopartículas de platino (Pt) y paladio (Pd) y materiales de almacenamiento de oxígeno con un área de superficie específica alta, como una solución sólida de CeO2-ZrO2 (CZ). Estos componentes pueden catalizar múltiples reacciones de oxidación y reducción que pueden convertir los gases de escape nocivos de los motores de vehículos en gases inofensivos.

La durabilidad, la precisión y el rendimiento de un TWC dependen de factores como el oxígeno almacenado o extraído del volumen y la superficie de los materiales de almacenamiento de oxígeno. Por lo tanto, es necesario comprender claramente el transporte de oxígeno y la dinámica del material de almacenamiento para mejorar su eficiencia. Desafortunadamente, faltan técnicas que puedan permitir el seguimiento directo del proceso de almacenamiento de oxígeno en los TWC.

Sin embargo, en un avance reciente publicado en Chemical Engineering Journal, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente Tsuyoshi Nagasawa del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) presentó una solución al problema. El equipo desarrolló una técnica novedosa para la visualización directa del proceso de almacenamiento de oxígeno en TWC de Pd/CZ utilizando la técnica de extinción de isótopos. El profesor Nagasawa explica : «Es difícil obtener claridad sobre las interacciones dinámicas, como la adsorción/desorción de oxígeno y la difusión superficial/en masa, que ocurren en las superficies de TWC, porque solo pueden estimarse indirectamente a partir del cambio de valencia del cerio en CZ. o el estado de oxidación del metal noble. Sin embargo, nuestro método supera estos problemas al incorporar el etiquetado de isótopos con el enfriamiento de la reacción, lo que nos permite investigar los procesos de almacenamiento de oxígeno mediante el seguimiento del isótopo 18O involucrado en estas interacciones».

¿Cómo se llevó a cabo esta técnica de extinción de isótopos? El equipo preparó un TWC modelo que constaba de un metal precioso, Pd, y un sustrato denso de CZ, almacenó 18O2 en él a 600 °C y luego enfrió el catalizador con dos boquillas de gas helio cubiertas con una camisa de refrigeración por agua. Luego utilizaron espectrometría de masas de iones secundarios de alta resolución para analizar la distribución de 18O en la superficie y la mayor parte de Pd/CZ.

Los resultados indicaron que el Pd mejora la profundidad de difusión del 18O en la masa de CZ, así como su concentración superficial. Además, reveló que el 18O se adsorbía preferentemente en la interfase Pd/CZ en comparación con el centro de Pd, donde su concentración era menor. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad también coincidieron con estas observaciones.

Finalmente, el equipo calculó las tasas locales de liberación/almacenamiento de oxígeno comparando la distribución de 18O y una simulación de liberación/almacenamiento de oxígeno usando una ecuación de difusión. Descubrieron que las tasas locales eran comparables y consistentes con las mediciones convencionales de capacidad de almacenamiento de oxígeno.

Este nuevo proceso de visualización proporciona información útil sobre los mecanismos de liberación y almacenamiento de oxígeno en los sistemas de materiales de metal/oxígeno y se puede utilizar para investigar más y mejorar el rendimiento y la eficiencia de los TWC utilizados para el tratamiento de gases de escape de automóviles. «Los compuestos orgánicos volátiles y los óxidos de nitrógeno y carbono producidos comúnmente por los motores de combustión, si se liberan sin tratamiento, no solo pueden causar problemas de salud relacionados con la respiración, sino que también pueden afectar indirectamente la aceleración del calentamiento global. Con nuestro estudio, queríamos contribuir hacia la misión mundial de lograr mejores prácticas de emisión», concluye el Prof. Nagasawa.