Descobert un nou efecte per reduir les emissions de monòxid de carboni en els convertidors catalítics d'automòbils
Un equip dʼinvestigadors de la UB i de la Universitat Tècnica de Viena ha descobert un efecte de catalització que pot fer més efectius els convertidors catalítics dels automòbils i reduir així les emissions de monòxid de carboni (CO). Els resultats de la recerca, publicats recentment a Nature Materials, sʼhan obtingut a partir dels experiments que ha dut a terme el grup del professor Günther Rupprechter, de la Universitat Tècnica de Viena (Àustria), i sʼhan interpretat fent servir els models computacionals creats pel grup que dirigeix Konstantin Neyman, investigador ICREA de lʼInstitut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB).
Un equip dʼinvestigadors de la UB i de la Universitat Tècnica de Viena ha descobert un efecte de catalització que pot fer més efectius els convertidors catalítics dels automòbils i reduir així les emissions de monòxid de carboni (CO). Els resultats de la recerca, publicats recentment a Nature Materials, sʼhan obtingut a partir dels experiments que ha dut a terme el grup del professor Günther Rupprechter, de la Universitat Tècnica de Viena (Àustria), i sʼhan interpretat fent servir els models computacionals creats pel grup que dirigeix Konstantin Neyman, investigador ICREA de lʼInstitut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB).
Per modificar els gasos dʼescapament, els catalitzadors que sʼutilitzen en els automòbils fan servir partícules microcristal·lines de pal·ladi. En els seus experiments, lʼequip ha constatat que els processos químics que tenen lloc en aquestes partícules canvien de manera significativa quan es posen sobre suports dʼòxid, encara que aquests no siguin actius en la reacció química. Aquests resultats contradiuen el que es pensava fins ara sobre el funcionament dʼaquest tipus de catàlisi.
De la mateixa manera que el gust de la cobertura dʼun pastís de xocolata no hauria de dependre de si sʼha servit en un plat de porcellana o en un de plata, en les reaccions químiques que es produeixen a la superfície de grans partícules de metall, el substrat —anomenat suport— no hauria de tenir un paper crucial. Les partícules catalítiques solen tenir un diàmetre de milers dʼàtoms, i fins ara es creia que el suport sobre el qual es troben no afectava les reaccions químiques situades lluny de la superfície de contacte o interfície.
Intoxicació per monòxid de carboni tòxic
En els vehicles amb motor de combustió, el monòxid de carboni (CO) es converteix en diòxid de carboni (CO2) gràcies als catalitzadors que contenen pal·ladi o platí. En aquest procés, la superfície de les partícules del catalitzador es cobreix amb àtoms dʼoxigen, de manera que les molècules de CO reaccionen i es transformen en CO2, deixant llocs buits a la capa dʼoxigen. Aquests llocs sʼhan dʼomplir ràpidament amb altres àtoms dʼoxigen perquè la catàlisi es mantingui.
Tanmateix, això no passa quan són les molècules de CO —en comptes de les dʼoxigen— les que omplen els buits. Si això succeeix a gran escala, la superfície del catalitzador queda coberta per una capa de CO i no per una capa dʼoxigen, i per tant, ja no es pot formar el CO2. «Podríem dir que lʼestat del catalitzador sʼha desactivat o ha quedat “intoxicat” pel monòxid de carboni», aclareix el professor Neyman.
El suport afecta tota la partícula
Aquesta situació es dona en funció de la concentració de CO en el gas sʼescapament subministrat al catalitzador. Això no obstant, els experiments mostren que el material on es col·loquen les partícules de pal·ladi és crucial. «Si les partícules de pal·ladi es posen en una superfície dʼòxid de zirconi o de magnesi, aquesta “intoxicació” del catalitzador es produeix en concentracions de carboni molt més altes», explica el professor Yuri Suchorski, primer autor de lʼarticle.
La pregunta és per què la naturalesa del suport hauria dʼafectar les reaccions químiques que tenen lloc a la superfície de tota la partícula de pal·ladi i per què la interfície entre aquesta i el suport influeix en el comportament de les partícules, mil cops més grans. Aquests dubtes es van poder resoldre amb els experiments realitzats a lʼInstitut de Química de Materials de la Universitat Tècnica de Viena i amb els models quàntics computacionals elaborats a la Universitat de Barcelona.
Mitjançant un microscopi electrònic especial de fotoemissions, els investigadors van controlar en temps real la propagació espacial dʼuna reacció química. Dʼaquesta manera, van veure que lʼenverinament amb monòxid de carboni sempre comença a lʼextrem de la partícula que està en contacte amb el suport. A partir dʼaquí, la intoxicació de monòxid de carboni sʼestén com lʼona dʼun tsunami per tota la partícula.
El monòxid de carboni actua a la vora de la partícula
Aquesta intoxicació comença a la punta precisament per raons geomètriques: els àtoms dʼoxigen a la vora de la partícula tenen menys àtoms dʼoxigen a prop que els que se situen a lʼinterior del catalitzador.
Quan sʼobren els buits, una molècula de CO els pot omplir més fàcilment a la vora de la partícula que no si ho fa en els forats oberts al mig, on el CO podria reaccionar fàcilment amb altres àtoms dʼoxigen. Dʼaltra banda, aquests no poden omplir els buits de lʼextrem fàcilment perquè van en parelles, com molècules dʼO2. Per tant, per omplir els buits, lʼO2 necessita dos llocs lliures junts (un al costat de lʼaltre).
Així doncs, la línia límit on la partícula de pal·ladi fa contacte directe amb el suport és fonamental: el suport modifica les propietats de la partícula de metall. «Segons els nostres càlculs, els enllaços entre els àtoms de metall de la partícula i els de la capa dʼoxigen que sʼha absorbit es reforcen a la vora del suport», afirma el professor Neyman, i conclou que «els àtoms de pal·ladi en contacte amb el suport dʼòxid es poden unir més fort amb els àtoms dʼoxigen».
Es podria pensar que això és irrellevant per als llocs metàl·lics allunyats de la vora de la partícula, perquè el suport només influeix en els àtoms dels extrems, que a més són pocs comparat amb el total dʼàtoms de la partícula de pal·ladi. Tanmateix, com que el monòxid de carboni comença la intoxicació a la vora, aquest efecte és crucial. La vora dʼòxid metàl·lic és el punt feble de la partícula, i si es reforça, la partícula del catalitzador es protegeix de la intoxicació de CO.
Referència de l'article:
Y. Suchorski, S. M. Kozlov, I. Bespalov, M. Datler, D. Vogel, Z. Budinska, K. M. Neyman i G. Rupprechter. “The role of metal/oxide interfaces for long-range metal particle activation during CO oxidation”, Nature Materials 17 (2018), Maig de 2018. Doi: 10.1038/s41563-018-0080-y.