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Nuevos avances para transformar las moléculas tóxicas del aire a bajas temperaturas

Contaminación del aire provocada por los tubos de escape de los coches en las ciudades. Novosibirsk, invierno de 2021. Imagen: S. Dukhovnikov

Contaminación del aire provocada por los tubos de escape de los coches en las ciudades. Novosibirsk, invierno de 2021. Imagen: S. Dukhovnikov

22/02/2021

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La contaminación atmosférica por combustión es uno de los problemas ambientales más graves, especialmente en entornos urbanos . En las ciudades densamente pobladas, la presencia en el aire de óxidos de nitrógeno, partículas de carbono muy pequeñas y monóxido de carbono (CO) perjudica gravemente la salud humana y aumenta la mortalidad. Una colaboración entre investigadores de la Universidad de Barcelona y del Instituto de Catálisis Boreskov, de la Academia de Ciencias de Rusia (Novosibirsk), abre la puerta a una reducción de las emisiones de contaminantes de unos de los principales agentes emisores: los automóviles. En un nuevo estudio, los científicos proponen principios de diseño y síntesis de catalizadores para transformar moléculas tóxicas que se encuentran en el aire a temperaturas inferiores a 0 ºC.

La mayoría de los contaminantes perjudiciales que genera la combustión de los motores de los automóviles se reducen en el tubo de escape de los vehículos mediante sofisticados convertidores catalíticos. Los llamados catalizadores de tres vías transforman los óxidos de nitrógeno, el monóxido de carbono y los hidrocarburos en nitrógeno molecular, agua y dióxido de carbono, relativamente inofensivos.

Pero uno de los retos que es necesario afrontar son las emisiones de arranque en frío que generan los vehículos durante los primeros minutos, es decir, desde que el coche se pone en marcha hasta que el motor se calienta lo suficiente como para que el catalizador empiece a funcionar. «De hecho, la mayoría de las emisiones nocivas durante una trayecto medio provienen de esas emisiones de arranque en frío», explica Konstantin Neyman, profesor ICREA en el Instituto de Química Teórica y Computacional de la Universidad de Barcelona (IQTCUB). «El desarrollo de catalizadores que funcionan de forma eficiente a bajas temperaturas es, pues, un campo de investigación muy activo», añade el experto.

En este contexto, investigadores del grupo que dirige el profesor Andrei Boronin, del Instituto de Catálisis Boreskov, han investigado las propiedades catalíticas de materiales complejos basados en combinaciones de metales y óxidos. El equipo siberiano se centró en la eficiencia a baja temperatura de los catalizadores sintetizados e identificó una combinación específica capaz de empezar a convertir el CO a una temperatura de –50 ºC.

Esta eficiencia a baja temperatura se consiguió dispersando platino —un metal muy activo catalíticamente, utilizado en numerosas aplicaciones— sobre dióxido de cerio nanoestructurado. «La clave del rendimiento de estos materiales tan activos es la sinergia entre el soporte de óxido y el platino oxidado y bien distribuido. Podemos identificar estos componentes mediante técnicas espectroscópicas, pero para caracterizar su papel concreto hay modelos computacionales específicos», afirma el profesor Boronin.

Aquí es precisamente donde entra en juego el trabajo de modelización teórica realizado por el grupo que lidera Konstantin Neyman. Tal como explica Albert Bruix, investigador posdoctoral del programa Beatriu de Pinós en este grupo, «con los cálculos mecanocuánticos empleando superordenadores de alto rendimiento, podemos modelar estos materiales fascinantes y descifrar el papel de cada componente en el excepcional rendimiento catalítico medido experimentalmente».

El estudio, publicado en Applied Catalysis B: Environmental, supone un avance importante en el desarrollo de materiales catalíticos para el tratamiento oxidante de los contaminantes atmosféricos a baja temperatura. Sin embargo, Boronin explica que «la cantidad de platino que se utiliza en estos catalizadores es alta, y su coste dificulta las aplicaciones comercialmente viables». El experto apunta, pues, en qué sentido deberían ir los trabajos futuros: «Habría que conseguir un rendimiento similar reduciendo la cantidad de metales preciosos». El impacto social del desarrollo de estos catalizadores no se limita a las emisiones de los automóviles: «Estos materiales también pueden utilizarse para el tratamiento oxidante de los contaminantes generados por fuentes estacionarias como las centrales eléctricas alimentadas con combustible fósil», concluye Konstantin Neyman.

 

Artículo de referencia:

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, enero de 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.119931

 

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