Un nuovo catalizzatore potrebbe ridurre drasticamente l’inquinamento da metano prodotto da milioni di motori

I ricercatori dimostrano un modo per rimuovere il potente gas serra dallo scarico dei motori che bruciano gas naturale.

I singoli atomi di palladio attaccati alla superficie di un catalizzatore possono rimuovere il 90% del metano incombusto dallo scarico dei motori a gas naturale a basse temperature, hanno riferito oggi gli scienziati sulla rivista Nature Catalysis.

Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche, hanno affermato, il progresso nella catalisi a singolo atomo ha il potenziale per ridurre le emissioni di metano, uno dei peggiori gas serra, che intrappola il calore a una velocità circa 25 volte superiore a quella dell’anidride carbonica.

I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia e della Washington State University hanno dimostrato che il catalizzatore rimuove 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 automodulante 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 fonte crescente di inquinamento da metano

I motori alimentati a gas naturale alimentano da 30 a 40 milioni di veicoli in tutto il mondo e sono popolari in Europa e Asia. L'industria del gas naturale li utilizza 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 attuali catalizzatori per la rimozione del metano sono inefficienti a temperature di scarico più basse oppure si degradano gravemente a temperature più elevate.

“C'è una grande spinta verso l'utilizzo del gas naturale, ma quando lo si utilizza per i motori a combustione, ci sarà sempre gas naturale incombusto dallo scarico e bisogna trovare un modo per rimuoverlo. In caso contrario, si causerà un riscaldamento globale più grave”, ha affermato il coautore Frank Abild-Pedersen, scienziato dello SLAC e co-direttore del laboratorio SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, gestito congiuntamente con l’Università di Stanford. "Se riesci a rimuovere il 90% del metano dallo scarico e a mantenere stabile la reazione, è straordinario."

Anche un catalizzatore con singoli atomi del metallo chimicamente attivo dispersi su un supporto utilizza ogni atomo del metallo costoso e prezioso, ha aggiunto Wang.

“Se riesci a renderli più reattivi”, ha detto, “questa è la ciliegina sulla torta”.

Aiuto inaspettato da parte di un altro inquinatore

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 sempre presenti nello scarico del motore svolgono 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 grappoli di due o tre atomi che spezzano in modo efficiente le molecole di metano a basse temperature.

Poi, quando la temperatura dei gas di scarico aumentava, i cluster si rompevano in singoli atomi e si ridisperdevano, in modo che il catalizzatore fosse termicamente stabile. Questo processo reversibile ha permesso 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 si avviava a freddo.

“Siamo stati davvero in grado di trovare un modo per mantenere il catalizzatore di palladio supportato stabile e altamente attivo e, grazie alle diverse competenze del team, di capire perché ciò si stava verificando”, ha affermato lo scienziato dello SLAC Christopher Tassone.

I ricercatori stanno lavorando per far avanzare ulteriormente la tecnologia dei catalizzatori. Vorrebbero capire meglio perché il palladio si comporta in un modo mentre altri metalli preziosi come il platino si comportano diversamente.