Le auto moderne si affidano ai convertitori catalitici per rimuovere il monossido di carbonio, idrocarburi e altre sostanze chimiche nocive dalle emissioni di scarico.

Per fare ciò si affidano a metalli costosi che hanno proprietà chimiche speciali che diminuiscono di efficacia nel tempo. L'assistente professore Matteo Cargnello e il dottorando Emmett Goodman hanno recentemente guidato un team che ha proposto un nuovo modo per ridurre i costi e prolungare la durata di questi materiali, risolvere un problema che ha assillato per anni gli ingegneri automobilistici. Nel processo, Cargnello e colleghi hanno fatto qualcosa di straordinario:hanno fatto un passo avanti in un campo maturo dove il cambiamento arriva lentamente, se non del tutto.

Che dire dei convertitori catalitici deve essere migliorato?

Un nuovo convertitore catalitico può costare $ 1, 000 o più, rendendolo tra le singole parti più costose su qualsiasi auto. Sono costosi perché utilizzano metalli costosi come il palladio per promuovere le reazioni chimiche che puliscono lo scarico. Il palladio costa circa $ 50 al grammo, più dell'oro, e ogni convertitore catalitico ne contiene circa 5 grammi. I metalli come il palladio sono catalizzatori, una classe speciale di materiali che accelerano le reazioni chimiche ma non si modificano chimicamente. In teoria, i catalizzatori possono essere usati più e più volte, indefinitamente. In pratica, però, le prestazioni dei catalizzatori degradano nel tempo. Compensare, siamo costretti a usare più di questi metalli costosi in anticipo, aggiungendo al costo. Il nostro obiettivo è comprendere meglio le cause di questo degrado e come contrastarlo.

Perché i catalizzatori vanno a male?

Idealmente, i catalizzatori dovrebbero essere progettati per avere la maggiore area superficiale possibile per promuovere il maggior numero di reazioni chimiche. Così, i produttori in genere diffondono molte piccole particelle sulla superficie di un nuovo convertitore catalitico. Da ricerche passate sappiamo che, col tempo, gli atomi di metallo iniziano a muoversi, formando particelle sempre più grandi che offrono meno superficie, e quindi diventano meno efficaci. Chiamiamo questo processo di aggregazione "sinterizzazione". Per contrastare la sinterizzazione, i produttori utilizzano quantità eccessive di metallo in modo che il convertitore soddisfi gli standard sulle emissioni per la durata di vita di un'auto di 10 o 15 anni. Il nostro team ha scoperto che la sinterizzazione non è l'unica causa di disattivazione. Infatti, questo nuovo meccanismo di disattivazione risulta essere esattamente l'opposto della sinterizzazione. In alcune circostanze, invece di particelle che diventano più grandi, si decompongono in particelle più piccole e alla fine diventano singoli atomi che sono essenzialmente inattivi. Questa è una nuova comprensione che crediamo nessuno abbia presentato prima, e ci ha spinto a cercare un modo completamente nuovo per massimizzare la durata e le prestazioni dei metalli nei convertitori catalitici.

Cosa possiamo fare per far durare più a lungo i catalizzatori?

La nostra ricerca suggerisce che se controlliamo attentamente sia la dimensione che la spaziatura delle particelle metalliche, le particelle di palladio non si intersecheranno in grandi grumi né si decomporranno in singoli atomi. In precedenza, molte persone nella comunità della catalisi pensavano che se vuoi rendere stabili le particelle, dovevi tenerli il più distanti possibile per evitare la migrazione delle particelle. Abbiamo confuso questa nozione riunendo un team collaborativo che ha studiato il degrado in un modo nuovo. Aaron Johnston-Peck del National Institute of Standards and Technology ha utilizzato la microscopia avanzata per aiutare a visualizzare la presenza dei singoli atomi. Simon Bare dello SLAC National Accelerator Laboratory ha utilizzato tecniche a raggi X per dimostrare che i materiali catalitici iniziano come particelle e finiscono come singoli atomi. Per inserire questi risultati sperimentali in un quadro teorico, abbiamo lavorato con Frank Abild-Pedersen del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis e SLAC, e Philipp Plessow del Karlsruhe Institute of Technology in Germania. Avevano le risorse computazionali per aiutarci a simulare il meccanismo di disattivazione su scala atomica. Alla fine, abbiamo fornito una base scientifica che potrebbe consentire di mantenere la riduzione dell'inquinamento utilizzando meno metalli preziosi e abbassando i costi dei convertitori catalitici. Se gli ingegneri automobilistici alla fine confermano e implementano questi risultati, sarebbe una grande vittoria per i consumatori a lungo termine.