Os carros modernos contam com conversores catalíticos para remover o monóxido de carbono, hidrocarbonetos e outros produtos químicos prejudiciais das emissões de exaustão.

Para fazer isso, eles dependem de metais caros que têm propriedades químicas especiais que diminuem em eficácia com o tempo. O professor assistente Matteo Cargnello e o candidato ao doutorado Emmett Goodman lideraram recentemente uma equipe que propôs uma nova maneira de reduzir o custo e estender a vida útil desses materiais, resolvendo um problema que incomodava os engenheiros automotivos há anos. No processo, Cargnello e seus colegas fizeram algo notável:fizeram um avanço em um campo maduro, onde a mudança vem lentamente, se em tudo.

E os conversores catalíticos precisam ser melhorados?

Um novo conversor catalítico pode custar US $ 1, 000 ou mais, tornando-se uma das peças individuais mais caras de qualquer carro. Eles são caros porque usam metais caros, como paládio, para promover as reações químicas que limpam o escapamento. O paládio custa cerca de US $ 50 o grama - mais do que ouro - e cada conversor catalítico contém cerca de 5 gramas dele. Metais como o paládio são catalisadores - uma classe especial de materiais que aceleram as reações químicas, mas não se alteram quimicamente. Em teoria, catalisadores podem ser usados ​​repetidamente, indefinidamente. Na prática, Contudo, o desempenho dos catalisadores se degrada com o tempo. Para compensar, somos forçados a usar mais desses metais caros no início, adicionando ao custo. Nosso objetivo é entender melhor as causas dessa degradação e como combatê-la.

Por que os catalisadores estragam?

Idealmente, os catalisadores devem ser projetados para ter a maior área de superfície possível para promover o maior número de reações químicas. Então, os fabricantes normalmente espalham muitas pequenas partículas sobre a superfície de um novo conversor catalítico. De pesquisas anteriores, sabemos que, hora extra, os átomos de metal começam a se mover, formando partículas cada vez maiores que oferecem menos área de superfície, e, portanto, tornam-se menos eficazes. Chamamos esse processo de aglutinação de "sinterização". Para neutralizar a sinterização, os fabricantes usam quantidades excessivas de metal para que o conversor atenda aos padrões de emissões durante a vida útil de 10 ou 15 anos de um carro. Nossa equipe descobriu que a sinterização não é a única causa de desativação. Na verdade, este novo mecanismo de desativação acaba sendo o oposto da sinterização. Sob algumas circunstâncias, em vez de partículas ficando maiores, eles se decompõem em partículas menores e, eventualmente, tornam-se átomos únicos que são essencialmente inativos. Este é um novo entendimento que acreditamos que ninguém apresentou antes, e nos levou a procurar uma maneira inteiramente nova de maximizar a vida útil e o desempenho dos metais nos conversores catalíticos.

O que podemos fazer para que os catalisadores durem mais?

Nossa pesquisa sugere que, se controlarmos cuidadosamente o tamanho e o espaçamento das partículas de metal, as partículas de paládio não se sinterizam em grandes aglomerados nem se decompõem em átomos individuais. Anteriormente, muitas pessoas na comunidade da catálise pensaram que se você quiser tornar as partículas estáveis, você tinha que mantê-los o mais distantes possível para evitar a migração das partículas. Confundimos essa noção ao reunir uma equipe colaborativa que estudou a degradação de uma nova maneira. Aaron Johnston-Peck, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, usou microscopia avançada para ajudar a visualizar a presença de átomos individuais. Simon Bare, do SLAC National Accelerator Laboratory, usou técnicas de raios-X para provar que os materiais catalíticos começam como partículas e terminam como átomos individuais. Para colocar esses resultados experimentais em uma estrutura teórica, trabalhamos com Frank Abild-Pedersen do SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis e SLAC, e Philipp Plessow, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha. Eles tinham os recursos computacionais para nos ajudar a simular o mecanismo de desativação em escala atômica. No fim, fornecemos uma base científica que pode tornar possível manter a redução da poluição, usando menos metais preciosos e reduzindo os custos dos conversores catalíticos. Se os engenheiros automotivos finalmente confirmarem e implementarem essas descobertas, seria uma grande vitória para os consumidores a longo prazo.