I singoli atomi di palladio attaccati alla superficie di un catalizzatore possono rimuovere il 90% del metano incombusto dallo scarico del motore a gas naturale a basse temperature, secondo quanto riportato oggi dagli scienziati sulla rivista Catalisi della natura.
Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, hanno affermato, il progresso nella catalisi del singolo atomo ha il potenziale per ridurre le emissioni di gas di scarico di metano, uno dei peggiori gas serra, che intrappola il calore a circa 25 volte il tasso di anidride carbonica.
I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia e della Washington State University hanno dimostrato che il catalizzatore ha rimosso il metano dallo scarico del motore sia alle temperature più basse dove i motori si avviano sia alle temperature più alte dove funzionano in modo più efficiente, ma dove i catalizzatori spesso si rompono.
“È quasi un processo auto-modulante che supera miracolosamente le sfide che le persone hanno combattuto: inattività a bassa temperatura e instabilità ad alta temperatura”, ha affermato Yong Wang, Regents Professor presso la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering della WSU e uno dei quattro autori principali dell’articolo.
Una crescente fonte di inquinamento da metano
I motori alimentati a gas naturale alimentano da 30 a 40 milioni di veicoli in tutto il mondo e sono diffusi in Europa e in Asia. L’industria del gas naturale li usa anche per far funzionare i compressori che pompano il gas nelle case delle persone. Sono generalmente considerati più puliti dei motori a benzina o diesel, poiché creano meno inquinamento da carbonio e particolato.
Tuttavia, quando i motori a gas naturale si avviano, emettono metano incombusto che intrappola il calore perché i loro convertitori catalitici non funzionano bene alle basse temperature. Gli odierni catalizzatori per la rimozione del metano sono inefficienti a temperature di scarico inferiori o si degradano gravemente a temperature più elevate.
“C’è una grande spinta verso l’uso del gas naturale, ma quando lo usi per i motori a combustione, ci sarà sempre gas naturale incombusto dallo scarico, e devi trovare un modo per rimuoverlo. In caso contrario, causerai un riscaldamento globale più grave”, ha detto il coautore Frank Abild-Pedersen, uno scienziato dello SLAC e condirettore del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis del laboratorio, che è gestito in collaborazione con la Stanford University. “Se riesci a rimuovere il 90% del metano dallo scarico e mantenere stabile la reazione, è fantastico.”
Un catalizzatore con singoli atomi del metallo chimicamente attivo dispersi su un supporto utilizza anche ogni atomo del metallo costoso e prezioso, ha aggiunto Wang.
“Se riesci a renderli più reattivi”, ha detto, “questa è la ciliegina sulla torta”.
Un aiuto inaspettato da un collega inquinante
Nel loro lavoro, i ricercatori hanno dimostrato che il loro catalizzatore costituito da singoli atomi di palladio su un supporto di ossido di cerio rimuoveva efficacemente il metano dallo scarico del motore, anche quando il motore era appena avviato.
Hanno anche scoperto che tracce di monossido di carbonio che sono sempre presenti nello scarico del motore hanno svolto un ruolo chiave nella formazione dinamica di siti attivi per la reazione a temperatura ambiente. Il monossido di carbonio ha aiutato i singoli atomi di palladio a migrare per formare gruppi di due o tre atomi che rompono efficacemente le molecole di metano a basse temperature.
Quindi, con l’aumento della temperatura dei gas di scarico, i cluster si sono disgregati in singoli atomi e si sono ridispersi, in modo che il catalizzatore fosse termicamente stabile. Questo processo reversibile ha consentito al catalizzatore di funzionare in modo efficace e ha utilizzato ogni atomo di palladio per tutto il tempo in cui il motore era in funzione, anche quando è partito a freddo.
“Siamo stati davvero in grado di trovare un modo per mantenere il catalizzatore di palladio supportato stabile e altamente attivo e, a causa delle diverse competenze all’interno del team, per capire perché questo stava accadendo”, ha affermato lo scienziato dello SLAC Christopher Tassone.
I ricercatori stanno lavorando per far avanzare ulteriormente la tecnologia del catalizzatore. Vorrebbero capire meglio perché il palladio si comporta in un modo mentre altri metalli preziosi come il platino si comportano diversamente.
La ricerca ha ancora molta strada da fare prima che venga inserita in un’auto, ma i ricercatori stanno collaborando con partner del settore e con il Pacific Northwest National Laboratory del DOE per avvicinare il lavoro alla commercializzazione.
Insieme a Wang, Abild-Pedersen e Tassone, anche Dong Jiang, senior research associate alla Voiland School della WSU, ha guidato il lavoro. Il lavoro è stato finanziato dal DOE Office of Science e comprendeva ricerche condotte presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC, l’Advanced Photon Source (APS) dell’Argonne National Laboratory e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), che sono tutte strutture per gli utenti del DOE Office of Science.
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