Investigadores han descubierto un nuevo mecanismo de reacción que podría utilizarse para mejorar los diseños de catalizadores de los sistemas de control de la contaminación para reducir aún más las emisiones de óxidos de nitrógeno causantes de la emisión de gases de escape de los motores diésel.

La investigación se centra en un tipo de catalizador llamado zeolitas, los caballos de carga en las refinerías de petróleo y químicas y en sistemas de control de emisiones de los motores diésel. Se necesitan nuevos diseños de catalizadores para reducir la emisión de óxidos de nitrógeno, ya que las tecnologías actuales sólo funcionan bien a temperaturas relativamente altas.

«El desafío clave en la reducción de emisiones es que pueden ocurrir en un rango muy amplio de condiciones de operación y especialmente de temperaturas de escape», subraya uno de los autores, Rajamani Gounder, profesor de Ingeniería Química en la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Purdue, en Indiana, Estados Unidos. «Quizás el mayor desafío está relacionado con la reducción de NOx a bajas temperaturas de escape, por ejemplo durante el arranque en frío o en conducción urbana congestionada», añade.

Sin embargo, además de estas condiciones «transitorias», los vehículos futuros naturalmente operarán a temperaturas más bajas todo el tiempo porque serán más eficientes. «Así que vamos a necesitar catalizadores que funcionen mejor no sólo durante las condiciones transitorias, sino también durante temperaturas de escape inferiores mantenidas», indica Gounder.

Convertir óxidos de nitrógeno

Este experto codirige a un equipo de investigadores que ha descubierto una propiedad esencial del catalizador para que sea capaz de convertir óxidos de nitrógeno, como se detalla en un artículo publicado en la edición digital de este jueves de ‘Science’ y que aparecerán en un número posterior de la revista.

«Los resultados aquí apuntan a un mecanismo catalítico previamente desconocido y también señalan a nuevas direcciones para descubrir mejores catalizadores», subraya William Schneider, profesor de Ingeniería de la Universidad de Notre Dame, en Indiana, Estados Unidos. «Ésta es una reacción de gran importancia ambiental utilizada para limpiar los gases de escape», apostilla.

El trabajo fue realizado por investigadores en Purdue, Notre Dame y Cummins Inc., un fabricante de motores diésel. «Cummins ha estado apoyando la investigación de ingeniería química de Purdue relacionada con la reducción de emisiones de motores durante los últimos 14 años –subraya Aleksey Yezerets, director de Catalyst Technology en Cummins–. Esta publicación muestra un ejemplo de los muchos conocimientos sobre estos complejos procesos con los que hemos trabajado juntos a lo largo de los años».

Uso de estructuras con poros de un nanómetro de diámetro

Las zeolitas tienen una estructura cristalina que contiene poros diminutos de aproximadamente un nanómetro de diámetro que están llenos de «sitios activos» de átomos de cobre donde tiene lugar la química. En los nuevos hallazgos, los investigadores descubrieron que el amoníaco introducido en el escape genera la solvatación (disolución) de estos iones de cobre para que puedan emigrar dentro de los poros, encontrare unos a otros, y realizar un paso catalítico que no es posible de otra manera.

Estos complejos de cobre y amoníaco aceleran una reacción crítica de ruptura de enlaces de moléculas de oxígeno, que actualmente requiere una temperatura de escape de aproximadamente 200 grados Celsius para que se produzca de manera eficaz. Los investigadores están tratando de reducir esta temperatura a unos 150 grados Celsius.

«La razón de toda esta química funciona porque los únicos sitios aislados de cobre se unen y trabajan en tándem para llevar a cabo un paso difícil en el mecanismo de reacción –afirma Gounder–. Es un proceso dinámico que involucra sitios de cobre únicos que se reúnen para formar pares durante la reacción para activar moléculas de oxígeno y luego volver a ser sitios aislados después de que la reacción sea completa».

Este paso limitador de velocidad podría acelerarse ajustando la distribución espacial de los iones de cobre, lo que conduce a menores emisiones de óxido de nitrógeno a temperaturas más frías de lo que es posible ahora.

Para hacer estos descubrimientos, los investigadores necesitaban técnicas que pudieran «ver» los átomos de cobre mientras sucedía la reacción catalítica. Ninguna técnica es capaz de lograrlo, por lo que combinaron la información de los estudios utilizando rayos X de alta energía en un sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Argonne, con modelos computacionales de nivel molecular realizados en supercomputadoras en el Centro Notre Dame de Investigación Informática y el Laboratorio de Ciencias Moleculares en el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste.

Fuente: Europa Press