Nous avenços per transformar molècules tòxiques de lʼaire a baixes temperatures
La contaminació atmosfèrica per combustió és un dels problemes ambientals més greus, especialment en entorns urbans. A les ciutats densament poblades, la presència a lʼaire dʼòxids de nitrogen, partícules de carboni molt petites i monòxid de carboni (CO) perjudica greument la salut humana i augmenta la mortalitat. Una col·laboració entre investigadors de la Universitat de Barcelona i de lʼInstitut de Catàlisi Boreskov, de lʼAcadèmia de Ciències de Rússia a Novosibirsk, obre la porta a una reducció de les emissions de contaminants dʼuns dels principals agents emissors: els automòbils. En un nou estudi, els científics proposen principis de disseny i síntesi de catalitzadors per transformar molècules tòxiques que es troben a lʼaire a temperatures inferiors a 0 ºC.
La contaminació atmosfèrica per combustió és un dels problemes ambientals més greus, especialment en entorns urbans. A les ciutats densament poblades, la presència a lʼaire dʼòxids de nitrogen, partícules de carboni molt petites i monòxid de carboni (CO) perjudica greument la salut humana i augmenta la mortalitat. Una col·laboració entre investigadors de la Universitat de Barcelona i de lʼInstitut de Catàlisi Boreskov, de lʼAcadèmia de Ciències de Rússia a Novosibirsk, obre la porta a una reducció de les emissions de contaminants dʼuns dels principals agents emissors: els automòbils. En un nou estudi, els científics proposen principis de disseny i síntesi de catalitzadors per transformar molècules tòxiques que es troben a lʼaire a temperatures inferiors a 0 ºC.
La majoria de contaminants perjudicials que genera la combustió dels motors dels automòbils es redueixen al tub dʼescapament dels vehicles mitjançant sofisticats convertidors catalítics. Els anomenats catalitzadors de tres vies transformen els òxids de nitrogen, el monòxid de carboni i els hidrocarburs en nitrogen molecular, aigua i diòxid de carboni, relativament inofensius.
Però un dels reptes que cal afrontar són les emissions dʼarrencada en fred que generen els vehicles durant els primers minuts, és a dir, des que sʼengega el cotxe fins que el motor sʼescalfa prou perquè el catalitzador comenci a funcionar. «De fet, la majoria de les emissions nocives durant un trajecte mitjà provenen dʼaquestes emissions dʼarrencada en fred», explica Konstantin Neyman, professor ICREA a lʼInstitut de Química Teòrica i Computacional de la Universitat de Barcelona (IQTCUB). «El desenvolupament de catalitzadors que funcionen de manera eficient a baixes temperatures és, doncs, un camp de recerca molt actiu», afegeix lʼexpert.
En aquest context, investigadors del grup dirigit pel professor Andrei Boronin, de lʼInstitut de Catàlisi Boreskov, han investigat les propietats catalítiques de materials complexos basats en combinacions de metalls i òxids. Lʼequip siberià es va centrar en lʼeficiència a baixa temperatura dels catalitzadors sintetitzats i va identificar una combinació específica capaç de començar a convertir el CO a una temperatura de -50 ºC.
Aquesta eficiència a baixa temperatura es va aconseguir dispersant platí —un metall molt actiu catalíticament, utilitzat en nombroses aplicacions— sobre diòxid de ceri nanoestructurat. «La clau del rendiment dʼaquests materials tan actius és la sinergia entre el suport dʼòxid i el platí oxidat ben distribuït. Podem identificar aquests components mitjançant tècniques espectroscòpiques, però per caracteritzar el seu paper concret cal models computacionals específics», afirma el professor Boronin.
Aquí és precisament on entra en joc el treball de modelització teòrica realitzat pel grup que lidera lʼinvestigador Konstantin Neyman. Tal com explica Albert Bruix, investigador postdoctoral del programa Beatriu de Pinós en aquest grup, «amb càlculs mecanoquàntics emprant superordinadors dʼalt rendiment, podem modelar aquests materials fascinants i desxifrar el paper de cada component en lʼexcepcional rendiment catalític mesurat experimentalment».
Lʼestudi, publicat a Applied Catalysis B: Environmental, és un avenç important en el desenvolupament de materials catalítics per al tractament oxidant dels contaminants atmosfèrics a baixa temperatura. Tanmateix, Boronin explica que «la quantitat de platí que sʼutilitza en aquests catalitzadors és alta, i el seu cost dificulta les aplicacions comercialment viables». Lʼexpert apunta, doncs, en quin sentit haurien dʼanar els treballs futurs: «Caldria aconseguir un rendiment similar reduint la quantitat de metalls preciosos». Lʼimpacte social del desenvolupament dʼaquests catalitzadors no es limita a les emissions dels automòbils: «Aquests materials també es poden fer servir per a la reducció oxidativa dels contaminants generats per fonts estacionàries com les centrals elèctriques alimentades amb combustibles fòssils», conclou Konstantin Neyman.
Article de referència:
Boronin, A. I.; Slavinskaya, E. M.; Figueroba, A.; Stadnichenko, A. I.; Kardash, T. Y.; Stonkus, O. A.; Fedorova, E. A.; Muravev, V. V.; Svetlichnyi, V. A.; Bruix, A.; Neyman, K. M. «CO oxidation activity of Pt/CeO2 catalysts below 0 °C: platinum loading effects». Applied Catalysis B: Environmental, gener de 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.119931