I ricercatori hanno scoperto un nuovo meccanismo di reazione che potrebbe essere utilizzato per migliorare la progettazione dei catalizzatori per i sistemi di controllo dell'inquinamento per ridurre ulteriormente le emissioni di ossidi di azoto che causano smog nei gas di scarico dei motori diesel.

La ricerca si concentra su un tipo di catalizzatore chiamato zeoliti, cavalli da tiro nelle raffinerie petrolifere e chimiche e nei sistemi di controllo delle emissioni per i motori diesel.

Sono necessari nuovi progetti di catalizzatori per ridurre l'emissione di ossidi di azoto, o NOx, perché le tecnologie attuali funzionano bene solo a temperature relativamente elevate.

"La sfida chiave nella riduzione delle emissioni è che possono verificarsi in una gamma molto ampia di condizioni operative, e soprattutto temperature di scarico, " disse Rajamani Gounder, il Larry e Virginia Faith Assistant Professor di ingegneria chimica presso la Davidson School of Chemical Engineering della Purdue University. "Forse la sfida più grande è legata alla riduzione di NOx a basse temperature di scarico, ad esempio durante le partenze a freddo o nella guida urbana congestionata."

Però, oltre a queste condizioni "transitorie", i veicoli futuri funzioneranno naturalmente sempre a temperature più basse perché saranno più efficienti.

"Quindi avremo bisogno di catalizzatori che funzionino meglio non solo in condizioni transitorie, ma anche durante temperature di scarico più basse e prolungate, " disse Gounder.

Ha co-guidato un team di ricercatori che hanno scoperto una proprietà essenziale del catalizzatore per poter convertire gli ossidi di azoto. I risultati saranno pubblicati online sulla rivista Scienza giovedì (17 agosto) e apparirà in un successivo numero di stampa della rivista.

"I risultati qui indicano un meccanismo catalitico precedentemente non riconosciuto e indicano anche nuove direzioni per scoprire catalizzatori migliori, " ha detto William Schneider, l'H. Clifford e Evelyn A. Brosey Professore di Ingegneria presso l'Università di Notre Dame. "Si tratta di una reazione di grande importanza ambientale utilizzata per ripulire gli scarichi".

Il lavoro è stato eseguito dai ricercatori della Purdue, Notre Dame e Cummins Inc., un produttore di motori diesel.

"Cummins ha sostenuto la ricerca di ingegneria chimica della Purdue relativa all'abbattimento delle emissioni dei motori negli ultimi 14 anni, " disse Aleksey Yezerets, direttore di Catalyst Technology presso Cummins. "Questa pubblicazione mostra un esempio delle molte intuizioni su questi processi complessi su cui abbiamo lavorato insieme nel corso degli anni".

Le zeoliti hanno una struttura cristallina contenente minuscoli pori di circa 1 nanometro di diametro che sono pieni di "siti attivi" di atomi di rame dove avviene la chimica. Nelle nuove scoperte, i ricercatori hanno scoperto che l'ammoniaca introdotta nello scarico "solvata" questi ioni di rame in modo che possano migrare all'interno dei pori, trovarsi l'un l'altro, ed eseguire una fase catalitica altrimenti non possibile.

Questi complessi rame-ammoniaca accelerano una reazione critica di rottura del legame delle molecole di ossigeno, che attualmente richiede una temperatura di scarico di circa 200 gradi Celsius per verificarsi in modo efficace. I ricercatori stanno cercando di ridurre questa temperatura a circa 150 gradi Celsius.

"Il motivo per cui tutta questa chimica funziona è perché i singoli siti di rame isolati si uniscono, e lavorare in tandem per eseguire un passaggio difficile nel meccanismo di reazione, " Ha detto Gounder. "È un processo dinamico che coinvolge singoli siti di rame che si incontrano per formare coppie durante la reazione per attivare molecole di ossigeno, e poi tornare ad essere siti isolati dopo che la reazione è stata completata."

Questo passaggio limitante potrebbe essere accelerato mettendo a punto la distribuzione spaziale degli ioni di rame, portando a minori emissioni di ossido di azoto a temperature più fredde di quanto ora possibile.

Per fare queste scoperte, i ricercatori avevano bisogno di tecniche in grado di "vedere" gli atomi di rame mentre avveniva la reazione catalitica. Nessuna tecnica è in grado di farlo, così hanno combinato le informazioni provenienti da studi che utilizzano raggi X ad alta energia in un sincrotrone presso l'Argonne National Laboratory, con modelli computazionali a livello molecolare eseguiti su supercomputer presso il Notre Dame Center for Research Computing e l'Environmental Molecular Sciences Laboratory presso il Pacific Northwest National Laboratory.

"Al di là di ogni dubbio, non avremmo potuto fare queste scoperte senza un team diversificato e strettamente integrato e senza l'accesso ad alcuni dei più potenti strumenti di laboratorio e informatici del paese, ", ha detto Schneider.

Sebbene il progetto si concentri su applicazioni di abbattimento dell'inquinamento "on-road", la più grande quota di mercato per i catalizzatori zeolitici è nelle raffinerie di petrolio. La scoperta ha implicazioni per "catalisi eterogenea, " che è ampiamente utilizzato nell'industria.

"La maggior parte dei processi catalitici nell'industria utilizza una tecnologia eterogenea, " disse Gounder.

Il documento è stato scritto dagli studenti laureati della Purdue Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio e Jonatan D. Albarracin-Caballero; Christopher Paolucci, dottorandi dell'Università di Notre Dame, Sichi Li e Hui Li; Yezeret; Purdue professore di ingegneria chimica Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Maxine Spencer Nichols di Purdue professore emerito di ingegneria chimica; Fabio H. Ribeiro, R. Norris di Purdue e Eleanor Shreve Professore di ingegneria chimica; Schneider; e Gounder.

La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e da Cummins Inc.

"Questa ricerca fa parte della nostra missione come università che concede fondi, " Ha detto Gounder. "Lavoriamo con aziende nello stato dell'Indiana, e questo lavoro è stato una parte essenziale nell'educazione di molti studenti."