La tua corsa potrebbe essere modesta, ma se brucia benzina, hai metalli preziosi a bordo. Per ridurre l'inquinamento al tubo di scappamento, auto e camion a benzina oggi sono dotati di convertitori catalitici che contengono metalli del gruppo del platino come rodio e palladio.

La domanda di questi metalli sta aumentando mentre i paesi di tutto il mondo cercano di ridurre le emissioni dei veicoli che accelerano il cambiamento climatico e peggiorano la qualità dell'aria. Dato che una singola oncia di rodio ora costa più di $ 20, 000, non è un caso che negli Stati Uniti, in aumento i furti di marmitte catalitiche.

Una scoperta degli scienziati del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e della Washington State University potrebbe aiutare a ridurre la quantità di metalli costosi necessari per trattare gli scarichi dei veicoli sfruttando al massimo ogni atomo prezioso. In uno studio pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale, i ricercatori hanno dimostrato il successo nella riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e ossido di azoto utilizzando almeno tre volte meno rodio rispetto a un catalizzatore tipico.

"Quello che abbiamo riportato qui è in contraddizione con la saggezza convenzionale secondo cui hai bisogno di atomi di rodio adiacenti l'uno all'altro, sotto forma di nanoparticelle, per fare questa chimica, " ha detto Yong Wang, un professore di ingegneria chimica presso la Washington State University che detiene un incarico congiunto al PNNL. "Abbiamo scoperto che un singolo atomo di rodio può fare un lavoro ancora migliore di conversione degli inquinanti rispetto a una nanoparticella di rodio".

Conversione del convenzionale

Il lavoro al PNNL riguarda i catalizzatori a tre vie, chiamati per la loro capacità di ridurre il monossido di carbonio, ossido di azoto, e idrocarburi come il metano. L'ossido di azoto fa parte di una serie di inquinanti noti come NO _X , componenti dello smog che contribuiscono anche indirettamente al riscaldamento atmosferico. Il monossido di carbonio in alte concentrazioni è tossico per l'uomo. All'interno del convertitore catalitico di un veicolo, questi catalizzatori intercettano e smantellano tali composti chimici prima che raggiungano il tubo di scappamento. Un catalizzatore a tre vie convertirà NO _X in azoto e monossido di carbonio e gli idrocarburi in anidride carbonica.

I sistemi di post-trattamento basati su tali catalizzatori sono stati utilizzati per decenni con i motori a combustione interna. Ma oltre ai prezzi alle stelle dei metalli preziosi per costruire questi sistemi, un altro problema minaccia di ridurne l'efficacia. Man mano che i veicoli diventano più efficienti nei consumi, lo scarico non è così caldo. Questo è un problema per i catalizzatori convenzionali che sono stati progettati per funzionare alle alte temperature dei motori più vecchi:semplicemente non funzionano altrettanto bene a temperature più basse.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha collaborato con i produttori automobilistici nazionali per affrontare la sfida della progettazione di materiali in grado di convertire il 90% delle emissioni di scarico a 150 gradi Celsius (302 °F), che è considerata "bassa temperatura" nel mondo del controllo delle emissioni. Tali materiali devono anche essere sufficientemente stabili da resistere a miglia e miglia di viaggio.

Atomi isolanti per una maggiore reattività e stabilità

Lo studio PNNL si è basato su lavori precedenti di Wang e colleghi in cui hanno "intrappolato" singoli atomi di platino su un supporto di biossido di cerio, o ceria, una polvere spesso usata in ceramica, riscaldando la combinazione a 800 gradi Celsius (1, 472 °F). A temperature così elevate, gli atomi di metallo fluttuanti cominceranno ad attaccarsi insieme, riducendo i loro poteri catalitici. Ma in questo studio, gli atomi di platino si fissarono al supporto di ceria piuttosto che l'uno all'altro. Questi atomi isolati hanno reagito con le sostanze bersaglio in modo più efficace che se si fossero raggruppati insieme.

Lo studio più recente ha adottato lo stesso approccio di intrappolamento dell'atomo con il rodio. I catalizzatori con solo lo 0,1 percento in peso di rodio disperso atomicamente in condizioni modello hanno soddisfatto la sfida DOE 150 gradi Celsius, convertire il 100% di ossido di azoto a temperature fino a 120 gradi Celsius.

"Sepolto nella letteratura scientifica, ci sono rapporti degli anni '70 che mostrano che atomi di rodio isolati potrebbero eseguire questa reazione, ma quegli esperimenti sono stati fatti in soluzioni, e gli atomi di rodio erano idrotermicamente instabili, " dissero Konstantin Khivantsev e Janos Szanyi, Ricercatori del PNNL che hanno condotto lo studio con Wang. "Ciò che ci ha ispirato è stato questo nuovo approccio all'intrappolamento atomico ad alte temperature. Con ciò, siamo stati in grado di dimostrare per la prima volta che i singoli atomi di rodio potrebbero essere sia cataliticamente attivi che stabili".

I ricercatori hanno condotto esperimenti per lo studio presso l'Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), una struttura scientifica nazionale per gli utenti sponsorizzata dal programma di ricerca biologica e ambientale DOE. Hanno usato vari tipi di immagini ad alta risoluzione, compresa la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), microscopia elettronica a trasmissione, e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, verificare che gli atomi di rodio fossero dispersi singolarmente e reagissero efficacemente con monossido di carbonio e ossido di azoto.

Khivantsev, Szanyi, e Wang hanno affermato che le loro scoperte aprono un percorso per rendere conveniente, stabile, e catalizzatori a bassa temperatura che utilizzano il rodio in modo molto più efficiente di quelli attuali. Gli scienziati sono anche interessati ad estendere il metodo ad altri metalli catalitici meno costosi come il palladio e il rutenio.