¿Cómo funcionan los convertidores catalíticos? Los científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT estudiaron las reacciones en condiciones cercanas a la realidad: con la ayuda de rayos X, observaron las interacciones de la molécula contaminante de monóxido de nitrógeno y de la reducciónamoniaco con centros de hierro y cobre, es decir, iones de metales de transición en Fe-ZSM-5 y Cu-SSZ-13, donde tiene lugar la reacción. Sus resultados ahora se pueden utilizar para mejorar aún más el postratamiento de los gases de escape. Los investigadores presentan su enfoqueen la revista Comunicaciones químicas .
Los convertidores catalíticos modernos para el tratamiento de gases de escape en vehículos con motor de combustión han contribuido en gran medida a la reducción de las emisiones contaminantes. Mediante oxidación o reducción, es decir, la donación o aceptación de electrones, los catalizadores convierten los contaminantes de la combustión, como el monóxido de carbono,óxidos de nitrógeno e hidrocarburos, en dióxido de carbono, agua y nitrógeno. Las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas exigen una mayor reducción del consumo de combustible y un uso eficiente del sistema de postratamiento de los gases de escape. Al agregar el agente reductor amoníaco formado, por ejemplo, por descomposición de urea, los óxidos de nitrógeno se convierten en nitrógeno y vapor de agua inocuos sobre el convertidor catalítico. Para este propósito, normalmente se inyecta una solución de urea AdBlue® en la sección de gases de escape aguas arriba del convertidor catalítico.
Para mejorar los convertidores catalíticos, se requiere comprender con precisión su función y los pasos de reacción individuales. "Los hallazgos confiables relacionados con las reacciones que tienen lugar solo pueden obtenerse en condiciones cercanas a la realidad", profesor Jan-Dierk Grunwaldt, Holderde la Cátedra de Tecnología Química y Catálisis de KIT, dice. "Esto significa que tenemos que vigilar el funcionamiento de los convertidores catalíticos. Las fuentes de radiación de sincrotrón son perfectamente adecuadas para este propósito". La radiación de sincrotrón es radiación electromagnética desde infrarrojos hasta rayos Xrayos X de varios cientos o incluso un millón de electronvoltios de energía. Con rayos X duros, se pueden observar las propiedades de los centros metálicos activos en el convertidor catalítico y sus interacciones con las moléculas de gas. Se pueden aplicar dos métodos: i La espectroscopía de absorción de rayos X XAS permite la determinación del estado de oxidación y el número de coordinación, es decir, el número de vecinos más cercanos de un átomo; ii Espectroscopía de emisión de rayos X XESque se puede utilizar para distinguir entre diferentes moléculas adsorbidas en el convertidor catalítico.Sobre esta base, se puede concluir qué moléculas causan la reducción, cuando tiene lugar la adsorción competitiva, es decir, si varias sustancias compiten por la adsorción en los convertidores catalíticos, y cómo las moléculas individuales se coordinan en el átomo metálico.
Un grupo de investigadores encabezado por el profesor Jan-Dierk Grunwaldt, el profesor Christoph R. Jacob, quien recientemente se mudó de KIT a TU Braunschweig, y el Dr. Pieter Glatzel en el European Synchrotron Radiation Facility ESRF en Grenoble / Francia ahora para elhan combinado por primera vez los métodos anteriores para estudiar en condiciones cercanas a la realidad reacciones en dos materiales catalíticamente activos aplicados en vehículos, a saber, Fe-ZSM-5 y Cu-SSZ-13. Ambos están basados en zeolitas, es decir, minerales especiales de porosestructura. Los resultados del estudio se presentan en la revista Chemical Communications.
Con la ayuda de los métodos de rayos X, los investigadores estudiaron y compararon las interacciones de la molécula contaminante monóxido de nitrógeno y el agente reductor amoníaco con los centros de hierro y cobre. "Aunque la reacción es la misma en resumen, observamos diferentesrutas de reacción para los dos materiales del convertidor catalítico ", informa Tobias Günter, estudiante de doctorado de la Cátedra de Tecnología Química y Catálisis. Los científicos encontraron que la reacción en Fe-ZSM-5 se basa en la adsorción de monóxido de nitrógeno a través de un oxígeno cargado positivamenteEl convertidor catalítico Cu-SSZ-13, por el contrario, no mostró este comportamiento. Como no tuvo lugar una coordinación directa a través del átomo de nitrógeno, los investigadores suponen una reacción de la fase gaseosa con una activación potencial en la molécula de amoníaco ".Esto también explica por qué el amoníaco inhibió la reacción en Fe-ZSM-5 a diferencia de Cu-SSZ-13 ", explica Tobias Günter.
Los hallazgos del equipo encabezado por Jan-Dierk Grunwaldt brindan información valiosa para que los modelos predigan mejor el comportamiento de los convertidores catalíticos en funcionamiento. "Nuestro enfoque basado en los dos métodos de rayos X no solo se puede utilizar para los materiales mencionados, sino quepuede transferirse a muchos otros materiales y reacciones ", dice el profesor Grunwaldt. En el futuro, este enfoque impulsará el desarrollo y la mejora de los convertidores catalíticos.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Karlsruhe . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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