Los investigadores trabajan para reducir la cantidad de metales preciosos en los convertidores catalíticos

Los convertidores catalíticos, que se introdujeron ampliamente en los vehículos estadounidenses en la década de 1970, utilizan metales preciosos como catalizadores para ayudar a eliminar sustancias químicas mortales y dañinas de los gases de escape de los motores de combustión. A medida que el precio de los metales preciosos ha seguido aumentando, también lo ha hecho el número de robos de convertidores catalíticos.

En estudios recientes aparecidos en Comunicaciones de la naturaleza y el Revista de la Sociedad Química Estadounidense, los investigadores de la UCF demostraron que podían, respectivamente, usar platino atómico para controlar los contaminantes y operar el sistema a temperaturas más bajas, lo cual es crucial para eliminar químicos dañinos cuando un vehículo arranca por primera vez.

Ajuste de la ubicación del átomo de platino

En el Comunicaciones de la naturaleza En el estudio, los equipos de investigación de la UCF dirigidos por Fudong Liu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y de Construcción, y Talat Rahman, distinguido profesor Pegasus en el Departamento de Física, construyeron con éxito átomos individuales de platino con diferentes entornos de coordinación atómica en ubicaciones específicas del planeta. ceria. La ceria es un óxido metálico que ayuda a mejorar el rendimiento de la reacción catalítica.

Liu y Rahman también están afiliados al Clúster de Catálisis para Energías Renovables y Transformaciones Químicas (REACT).

Los átomos de platino exhibieron comportamientos sorprendentemente distintos en reacciones catalíticas, como la oxidación de monóxido de carbono y la oxidación de amoníaco en un sistema de postratamiento de gases de escape de un motor diésel, dicen los investigadores.

La oxidación convierte el mortífero monóxido de carbono en dióxido de carbono y el nocivo amoníaco en moléculas de nitrógeno y agua.

Sus resultados sugieren que el rendimiento catalítico de los catalizadores de un solo átomo en reacciones específicas se puede maximizar optimizando sus estructuras de coordinación local a través de estrategias simples y escalables industrialmente, dice Liu.

'Al combinar cálculos de estructuras electrónicas con experimentos de última generación, los equipos de Liu y Rahman han logrado un gran avance que puede beneficiar significativamente a la comunidad de catálisis heterogénea en el diseño de catalizadores de un solo átomo altamente eficientes para necesidades ambientales y energéticas. ', dice Liu.

'Hemos desarrollado con éxito una estrategia sencilla para ajustar selectivamente el entorno de coordinación local de los átomos individuales de platino para lograr un rendimiento catalítico satisfactorio en diferentes reacciones objetivo, lo que impulsará la comprensión de la catálisis de un solo átomo un importante paso adelante', afirmó. dice.

Rahman dice que su trabajo colaborativo demuestra cómo la teoría y los experimentos trabajando en conjunto pueden revelar mecanismos microscópicos responsables de mejorar la actividad catalítica y la selectividad.

Catalizador eficiente de oxidación de monóxido de carbono

En el Revista de la Sociedad Química Estadounidense En el estudio, Liu y sus colaboradores de Virginia Tech y la Universidad Tecnológica de Beijing mejoraron significativamente la eficiencia de purificación de monóxido de carbono de un catalizador de platino-ceria-alúmina entre 3,5 y 70 veces en comparación con los catalizadores de platino utilizados habitualmente.

Lo hicieron mediante el control preciso de las estructuras de coordinación del platino a nivel atómico sobre un soporte de ceria-alúmina disponible industrialmente.

'La estructura local del sitio activo dentro de un catalizador determina su rendimiento catalítico', dice Liu. 'Sin embargo, el control preciso de la estructura de coordinación local de los sitios activos y la elucidación de las relaciones intrínsecas entre estructura y rendimiento representan grandes desafíos en el campo de la catálisis heterogénea'.

'Hemos trabajado para controlar la estructura de coordinación local de los sitios metálicos a nivel atómico, desarrollar un catalizador altamente eficiente en reacciones relacionadas con la purificación ambiental y revelar la relación estructura-rendimiento de los catalizadores recién fabricados para guiar el futuro diseño del catalizador'. ', dice.

Utilizando una estrategia de enriquecimiento de defectos de superficie, Liu y su equipo informaron sobre la fabricación exitosa de estructuras atómicas de platino de una sola capa y de un solo átomo de platino con un entorno de coordinación local controlado con precisión sobre soportes de ceria-alúmina.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo, uno de los coautores clave, Yue Lu de la Universidad Tecnológica de Beijing, observó directamente que las estructuras atómicas de platino de una sola capa y de platino de un solo átomo que mostraban una exposición al metal del 100% estaban incrustadas en celosía de ceria o adsorbida en la superficie de ceria.

El sitio atómico de una sola capa de platino incrustado mostró la mayor eficiencia en la purificación de monóxido de carbono, que fue 3,5 veces mayor que en el sitio atómico de una sola capa de platino adsorbido y de 10 a 70 veces mayor que en los sitios de un solo átomo de platino.

En colaboración con el grupo de investigación de Hongliang Xin en Virginia Tech, tanto desde aspectos experimentales como teóricos, el equipo concluyó que la estructura única de una sola capa atómica de platino incrustada podría promover la activación de especies de oxígeno interfacial y así beneficiar la oxidación del monóxido de carbono a bajas temperaturas.

El trabajo es muy importante porque ayudará a la comunidad de catálisis ambiental a diseñar mejor catalizadores metálicos más activos con una eficiencia de utilización del metal del 100% para aplicaciones ambientales específicas, dice Liu.

'Mostramos cómo controlar y utilizar las estructuras de sitios metálicos de un solo átomo, de una sola capa atómica y de grupos en reacciones relacionadas con el control de emisiones, y cómo comprender su relación estructura-rendimiento utilizando enfoques de simulación tanto experimentales como teóricos', Liu dice. 'Esto allanará el camino para el futuro diseño de catalizadores ambientales a nivel atómico y logrará una alta eficiencia en aplicaciones prácticas'.