Secondo un nuovo studio, la prossima generazione di convertitori catalitici potrebbe avere una durata maggiore e richiedere meno materiali rari per funzionare.

I convertitori catalitici trasformano i gas nocivi dai gas di scarico di un'auto, compreso il monossido di carbonio e altri inquinanti, in vapore e altri sottoprodotti più sicuri, come l'anidride carbonica e l'azoto.

Un buon convertitore catalitico può durare più di un decennio, ma secondo Cheng-Han Li, autore principale dello studio, c'è sempre spazio per miglioramenti. Ha affermato che le future tecnologie catalitiche potrebbero essere progettate per eliminare efficacemente gli inquinanti per un periodo di tempo più lungo.

"Vogliamo avere una vita migliore per i convertitori catalitici. Altrimenti, dovranno essere sostituiti o non supereranno i test sulle emissioni del governo", ha affermato Li, che è uno studente di dottorato in scienze dei materiali e ingegneria presso la Ohio State University.

Lo studio è stato pubblicato di recente sulla rivista Chemistry of Materials .

A seconda di dove vivi, gli standard federali sulle emissioni possono variare. Nel 1975, per combattere il crescente problema dello smog nelle città degli Stati Uniti, il Congresso approvò una legislazione in cui si affermava che tutti i veicoli dovevano avere convertitori catalitici.

Sebbene ne esistano di vari tipi, i moderni convertitori catalitici utilizzano una combinazione di tre metalli preziosi:palladio, platino e rodio. Questi catalizzatori a tre vie possono ridurre l'ossido nitrico (NO) e il biossido di azoto (NO₂ ) emissioni:due sostanze che, se messe insieme, possono creare NO_x , un composto chimico che ha effetti nocivi sia diretti che indiretti sulla salute umana.

L'aumento dei prezzi dei tre metalli preziosi, in particolare il rodio, è il motivo per cui i criminali di tutto il mondo sono ricorsi al furto dei convertitori catalitici. Trovato più spesso nelle sabbie fluviali del Nord e del Sud America, il rodio è considerato l'elemento più raro al mondo ed è più prezioso dell'oro e del platino.

"Il costo del rodio è aumentato drammaticamente negli ultimi anni a causa dell'aumento della domanda unita a un deficit fondamentale dell'offerta", afferma Li. Ciò significa che i convertitori catalitici possono essere costosi da realizzare e doppiamente costosi da sostituire.

E poiché i catalizzatori a base di rodio scarseggiano, è fondamentale che vengano utilizzati nel modo più efficace possibile. Poiché è noto che i catalizzatori si disattivano alle alte temperature, i ricercatori hanno studiato come le loro prestazioni cambiano nel tempo in presenza di calore elevato.

Per fare ciò, il team di Li ha eseguito diversi test sui convertitori, incluso il fatto che resistessero a temperature superiori a 1600 gradi Fahrenheit. Sebbene i catalizzatori reali raramente superino tali condizioni in un'auto in movimento, possono sperimentare quelle temperature almeno occasionalmente nel corso della loro vita, soprattutto quando i convertitori invecchiano.

I ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico a trasmissione per studiare le microstrutture dei catalizzatori a tre vie a livello atomico e come sono stati influenzati dal calore. "Osservando la microstruttura, possiamo stabilire il collegamento tra il calore elevato, le prestazioni reali del convertitore e la sua microstruttura", ha affermato Li.

Li ha notato che i catalizzatori di rodio sono supportati da ossidi come allumina e ceria-zirconia, che aiutano a stabilizzarli.

A calore elevato con ossigeno, il rodio si dissolve nell'allumina e si degrada nella soluzione stabile di alluminato di rodio. Questa soluzione, tuttavia, è chimicamente inattiva, il che significa che non può eliminare inquinanti e gas nocivi, rendendo il dispositivo effettivamente inutilizzabile.

Ma è reversibile.

Quando esposto all'idrogeno, una parte del rodio diventa di nuovo attiva, ma non abbastanza da riportare il convertitore del catalizzatore alla sua precedente efficienza.

I risultati dello studio hanno concluso che, a lungo termine, stabilire un nuovo design che prevenga la formazione di alluminato di rodio potrebbe aiutare a ottenere il massimo da questi dispositivi. Questa comprensione approfondita della struttura del dispositivo potrebbe anche aiutare a migliorare i progetti per i futuri convertitori catalitici.

"I nostri risultati danno alle case automobilistiche una direzione specifica da seguire per ottimizzare l'uso di catalizzatori a base di rodio", ha affermato Li.

I coautori erano Jason Wu, Andrew Bean Getsoian e Giovanni Cavataio della Ford Motor Company e Joerg Jinschek, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Ohio State. + Esplora ulteriormente

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