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Analytical Chemistry

Un tratamiento para catalizadores aumentaría la limpieza de los gases de combustión

Un tratamiento con vapor de agua aumenta la vida media de los catalizadores de platino y los apaña para eliminar hasta la última molécula de CO de las emisiones de los motores

by Mitch Jacoby
December 14, 2017 | APPEARED IN VOLUME 95, ISSUE 49

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Credit: Science
Exposing this catalyst to steam at high temperature creates oxygen vacancies at the catalyst surface (top). Water dissociates there (middle), forming Pt-Ce-OH groups (dashed lines, bottom) which are active sites for CO oxidation.
Credit: Science
La exposición de este catalizador al vapor a alta temperatura crea defectos de oxígeno en la superficie del catalizador (arriba). El agua se disocia en dichos defectos (centro), creando grupos Pt-Ce-OH (líneas punteadas, abajo) que son los sitios activos para la oxidación del CO.

Los catalizadores que limpian las emisiones de los vehículos a motor consisten habitualmente en partículas de platino y otros metales nobles soportadas en óxidos. Dado que sólo los átomos metálicos de la superficie de las partículas están en contacto con los reactivos, y son los responsables de las reacciones catalíticas, los fabricantes de catalizadores se esfuerzan en hacer estas partículas metálicas tan pequeñas como sea posible.

Pero estos catalizadores soportados tienen una desventaja. Tratar de hacer partículas tan pequeñas como sea posible para aumentar dispersión de los metales nobles puede llegar demasiado lejos, y entonces los catalizadores se vuelven inestables. Las partículas metálicas se dispersan, coalescen, y pierden su actividad catalítica. Además, los catalizadores a menudo son inactivos si la temperatura de los gases de combustión es baja, lo que ocurre cuando los coches actuales arrancan en una fría mañana, y lo que será habitual en el futuro con los nuevos motores que aprovechan la energía de manera más eficaz.

Un nuevo estudio sobre la limpieza de los gases de combustión de los motores de los coches describe una forma de evitar estos problemas en un auténtico dos-por-uno catalítico. Los investigadores han demostrado que un sencillo tratamiento puede estabilizar los catalizadores de platino que utilizan los coches y reducir la temperatura a la cual eliminan eficazmente el CO (monóxido de carbono) de los gases de combustión (Science 2017, DOI: 10.1126/science.aao2109).

Dicho tratamiento podría ayudar a limpiar las emisiones de los motores del futuro, diseñados para recuperar la energía que se pierde en los gases de combustión a alta temperatura. De esta manera los gases que pasen a través del catalizador lo harán a menor temperatura.

En la fase previa a este estudio, un equipo de la Universidad de Nuevo México (Las Cruces, Nuevo México, EEUU), encabezado por el Prof. Dr. Abhaya K. Datye, llevó al extremo la dispersión de partículas metálicas soportadas en un óxido. En el año 2016, este equipo publicó que átomos aislados de platino soportados en óxido de cerio podrían convertir CO en CO2, una reacción clave en la limpieza de las emisiones de los motores. Pero los catalizadores mostraron muy poca actividad.

Por ello este equipo, que incluye al investigador Yong Wang, del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (Richland, Washington, EEUU), ha buscado tratamientos físicos y/o químicos que puedan relanzar la actividad del catalizador Pt-CeO2 sin que se agote de una manera temprana, algo que ocurre a menudo en el desarrollo de catalizadores.

Finalmente, el equipo encontró que el calentamiento del catalizador a 750 °C en una corriente de vapor de agua mejora de manera drástica su capacidad de oxidar el CO a CO2. De manera más concreta, una vez tratado, el catalizador comienza a oxidar el CO a tan sólo 60 °C, y llega al 100% de conversión a los 148 °C. Por otro lado, el catalizador sin tratar necesita un calentamiento hasta 210 °C, aproximadamente, para empezar a funcionar y llega al 100% de conversión a los 320 °C. Pero es que además el tratamiento alarga la vida media del catalizador, sin que muestre signos de desactivación tras 300 horas en funcionamiento.

Los análisis espectroscópicos y por microscopía revelan que el vapor de agua aumenta la capacidad de oxidación de CO mediante creación de sitios catalíticamente activos que presentan grupos Pt-OH unidos al óxido de cerio.

“Este descubrimiento será de gran ayuda en el avance tecnológico concerniente al tratamiento de los gases de combustión de motores” señala el experto en catalizadores Bruce C. Gates, de la Universidad de California en Davis (California, EEUU). “La caracterización del catalizador llevada a cabo por los autores proporciona un conocimiento más profundo del sistema y marca el camino a seguir.” Y añade que este trabajo de caracterización plantea nuevas preguntas que merecen un estudio posterior. Por ejemplo, Gates propone que se debería investigar la naturaleza de los sitios en el óxido de cerio a los que se enlaza el platino y determinar si son defectos, y se pregunta si un metal más barato que el platino podría funcionar igualmente.


Traducción al español producida por Esteban Urriolabeitia de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.

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