Os pesquisadores descobriram um novo mecanismo de reação que poderia ser usado para melhorar os projetos de catalisadores para sistemas de controle de poluição para reduzir ainda mais as emissões de óxidos de nitrogênio causadores de poluição no escapamento de diesel.

A pesquisa se concentra em um tipo de catalisador chamado zeólitas, cavalos de trabalho em refinarias de petróleo e produtos químicos e em sistemas de controle de emissão para motores a diesel.

Novos projetos de catalisadores são necessários para reduzir a emissão de óxidos de nitrogênio, ou NOx, porque as tecnologias atuais só funcionam bem em temperaturas relativamente altas.

"O principal desafio na redução das emissões é que elas podem ocorrer em uma ampla gama de condições operacionais, e especialmente as temperaturas de exaustão, "disse Rajamani Gounder, Larry e Virginia Faith Professor Assistente de Engenharia Química na Escola de Engenharia Química Davidson da Universidade de Purdue. "Talvez o maior desafio esteja relacionado à redução de NOx em baixas temperaturas de exaustão, por exemplo, durante a partida a frio ou em uma direção urbana congestionada. "

Contudo, além dessas condições "transitórias", os veículos futuros funcionarão naturalmente em temperaturas mais baixas o tempo todo porque serão mais eficientes.

"Então, vamos precisar de catalisadores que funcionem melhor não apenas durante condições transitórias, mas também durante temperaturas de exaustão mais baixas sustentadas, "Disse Gounder.

Ele co-liderou uma equipe de pesquisadores que descobriu uma propriedade essencial do catalisador para ser capaz de converter óxidos de nitrogênio. As descobertas serão publicadas online no jornal Ciência na quinta-feira (17 de agosto) e aparecerá na edição impressa posterior da revista.

"Os resultados aqui apontam para um mecanismo catalítico não reconhecido anteriormente e também apontam para novas direções para descobrir melhores catalisadores, "disse William Schneider, o professor de engenharia H. Clifford e Evelyn A. Brosey da Universidade de Notre Dame. "Esta é uma reação de grande importância ambiental usada para limpar o escapamento."

O trabalho foi realizado por pesquisadores da Purdue, Notre Dame e Cummins Inc., fabricante de motores diesel.

"A Cummins tem apoiado a pesquisa de engenharia química da Purdue relacionada à redução das emissões do motor nos últimos 14 anos, "disse Aleksey Yezerets, Diretor de Tecnologia Catalyst da Cummins. "Esta publicação mostra um exemplo dos muitos insights sobre esses processos complexos nos quais trabalhamos juntos ao longo dos anos."

Os zeólitos têm uma estrutura cristalina contendo poros minúsculos com cerca de 1 nanômetro de diâmetro que são preenchidos com "sítios ativos" de átomo de cobre onde a química ocorre. Nas novas descobertas, os pesquisadores descobriram que a amônia introduzida no escapamento "solvata" esses íons de cobre para que eles possam migrar dentro dos poros, encontrar um ao outro, e realizar uma etapa catalítica que de outra forma não seria possível.

Esses complexos de cobre-amônia aceleram uma reação crítica de quebra de ligação das moléculas de oxigênio, que atualmente requer uma temperatura de exaustão de cerca de 200 graus Celsius para ocorrer efetivamente. Os pesquisadores estão tentando reduzir essa temperatura para cerca de 150 graus Celsius.

"A razão de toda essa química funcionar é porque locais isolados de cobre se juntam, e trabalhar em conjunto para realizar uma etapa difícil no mecanismo de reação, ", Disse Gounder." É um processo dinâmico que envolve sítios de cobre únicos que se encontram para formar pares durante a reação para ativar as moléculas de oxigênio, e, em seguida, voltar a ser locais isolados após a conclusão da reação. "

Esta etapa de limitação de taxa pode ser acelerada pelo ajuste fino da distribuição espacial dos íons de cobre, levando a emissões mais baixas de óxido de nitrogênio em temperaturas mais baixas do que agora é possível.

Para fazer essas descobertas, os pesquisadores precisavam de técnicas que pudessem "ver" os átomos de cobre enquanto a reação catalítica estava acontecendo. Nenhuma técnica é capaz de fazer isso, então eles combinaram informações de estudos usando raios-X de alta energia em um síncrotron no Laboratório Nacional de Argonne, com modelos computacionais de nível molecular realizados em supercomputadores no Notre Dame Center for Research Computing e no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do Pacific Northwest National Laboratory.

"Sem dúvida, não poderíamos ter feito essas descobertas sem uma equipe diversificada e totalmente integrada e sem acesso a alguns dos laboratórios e ferramentas de computador mais poderosos do país, "disse Schneider.

Embora o projeto se concentre em aplicações de redução da poluição "on-road", a maior participação de mercado para catalisadores de zeólita está nas refinarias de petróleo. A descoberta tem implicações para a "catálise heterogênea, "que é amplamente utilizado na indústria.

"A maioria dos processos catalíticos na indústria usa tecnologia heterogênea, "Disse Gounder.

O artigo foi escrito por Ishant Khurana, estudantes de graduação da Purdue, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio e Jonatan D. Albarracin-Caballero; Estudantes de graduação da Universidade de Notre Dame, Christopher Paolucci, Sichi Li e Hui Li; Yezerets; O professor de engenharia química da Purdue, Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Maxine Spencer Nichols, Professor Emérito de Engenharia Química da Purdue; Fabio H. Ribeiro, R. Norris e Eleanor Shreve Professor de Engenharia Química de Purdue; Schneider; e Gounder.

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pela Cummins Inc.

"Esta pesquisa faz parte da nossa missão como uma universidade doadora de terras, ", Disse Gounder." Trabalhamos com empresas no estado de Indiana, e este trabalho foi uma parte essencial na educação de muitos alunos. "