Sfruttare al meglio i catalizzatori per motori diesel
Il trasporto merci dipende notevolmente dai motori diesel. La combustione del carburante fa sì che i motori diesel ossidino parte dell’azoto presente nell’aria, con il conseguente rilascio di ossidi di azoto. Questi composti contribuiscono allo smog, influendo negativamente sulla qualità dell’aria e sulla salute pubblica. I motori diesel sono dotati di catalizzatori per ridurre questi composti nocivi, ma i catalizzatori attuali si degradano nel tempo. Il progetto CHASS(si apre in una nuova finestra), sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie Actions(si apre in una nuova finestra), ha studiato le cause della disattivazione catalitica a livello molecolare.
Conoscere le Cu-zeoliti
Le zeoliti sono minerali presenti in natura caratterizzate da una struttura cristallina microporosa. Le loro proprietà strutturali e chimiche le rendono adatte all’uso come catalizzatori: possono aumentare la velocità di una reazione chimica senza subire cambiamenti chimici permanenti. Oltre alle zeoliti presenti in natura, esistono molti esempi sintetici, tra cui le Cu-zeoliti(si apre in una nuova finestra) contenenti rame (Cu), che sono lo standard industriale per i motori diesel. Le Cu-zeoliti, in particolare le zeoliti di chabazite scambiata con Cu (Cu-CHA), oggetto del progetto, sono in grado di ridurre gli ossidi di azoto nei gas di scarico dei motori diesel, ma due fattori causano il degrado del catalizzatore nel tempo. Quando i sistemi di scarico diesel diventano troppo caldi, in particolare al di sopra dell’intervallo di 150-500 °C in cui raggiungono le migliori prestazioni, le Cu-zeoliti possono degradarsi. Questi catalizzatori sono inoltre particolarmente sensibili a quantità anche piccole di anidride solforosa (SO2), che spesso si forma durante la combustione del gasolio.
Approcci complementari per comprendere la disattivazione catalitica
CHASS ha riunito quattro dottorandi, ciascuno con un approccio distinto alla comprensione del comportamento catalitico a livello molecolare. I calcoli di meccanica quantistica hanno consentito una modellizzazione basata sulla teoria funzionale della densità(si apre in una nuova finestra) e sono stati affiancati da esperimenti di flusso del reattore per l’avvelenamento da zolfo. La coordinatrice del progetto Gloria Berlier ci informa: «I calcoli di meccanica quantistica sono stati utilizzati anche per descrivere a livello atomico l’invecchiamento idrotermico del catalizzatore, realizzare un modello microcinetico per la dealuminazione(si apre in una nuova finestra) e contribuire all’interpretazione degli effetti dell’acqua sulla reazione studiati sperimentalmente.» Il progetto CHASS ha sviluppato dei modelli avvalendosi anche di altri approcci. Sono stati utilizzati i risultati ottenuti in loco e operando con la caratterizzazione spettroscopica(si apre in una nuova finestra) per sviluppare un modello di disattivazione dello zolfo, mentre la composizione dei materiali e i dati sperimentali hanno informato i modelli di invecchiamento idrotermico dei catalizzatori.
Approfondimenti a livello atomico
I risultati del progetto hanno fatto progredire la comprensione scientifica del come e del perché i catalizzatori dei motori diesel si disattivano. I catalizzatori sono dinamici, il che rappresenta una sfida quando si cerca di comprendere i percorsi di riorganizzazione atomica indotti da una reazione. Calcolando la distribuzione e la diffusione degli ioni Cu(si apre in una nuova finestra) nella zeolite e descrivendo i movimenti degli atomi di alluminio nel catalizzatore, CHASS ha fornito una visione singolare dei percorsi di reazione che interessano il materiale Cu-CHA. «Abbiamo individuato i siti di Cu più sensibili all’avvelenamento da zolfo e proposto un meccanismo di reazione compatibile con i risultati sperimentali. Abbiamo dimostrato che l’effetto di avvelenamento da zolfo, sotto forma di SO2, è altamente sensibile alla composizione e al pretrattamento del catalizzatore», spiega Berlier. L’Europa sta pianificando l’eliminazione graduale dei mezzi a combustibili fossili dopo il 2035 e i motori diesel dovranno essere sostituiti con un’alternativa ecologica, quali i motori a combustione di idrogeno. Il lavoro dei ricercatori in fase iniziale di carriera del progetto CHASS ha spianato la strada a progressi all’avanguardia nello sviluppo dei nuovi catalizzatori, necessari per le tecnologie future a basse emissioni di carbonio.
