Pronte per il motore: ora tocca alle nanoparticelle brillare come catalizzatori
I materiali che aumentano la velocità di una reazione chimica rimanendo invariati nel processo, noti come catalizzatori, sono il cuore di molte tecnologie. Un classico esempio è dato dai sistemi di scarico delle automobili che trasformano i fumi tossici in gas più benigni. Purtroppo, i catalizzatori sono spesso costosi perché contengono in genere uno o più metalli preziosi, come il platino, il rodio o il palladio, le cui riserve sono limitate. Il progetto PROMETHEUS, finanziato dall’UE, ha trovato un modo per aggirare questa limitazione nel settore automobilistico: un modo per mantenere la stessa efficienza catalitica con un decimo circa della quantità di metalli preziosi. «Finora si pensava che la qualità delle marmitte catalitiche automobilistiche corrispondesse alla quantità di metalli del gruppo del platino (MGP) che il catalizzatore contiene. PROMETHEUS dimostra che con l’aiuto della nanotecnologia è possibile produrre catalizzatori automobilistici con l’85 % di metalli preziosi in meno, mantenendo le stesse prestazioni dei catalizzatori commerciali utilizzati nei veicoli conformi alle norme Euro 6d sulle emissioni», osserva Iakovos Yakoumis, coordinatore di PROMETHEUS e fondatore della società coordinatrice MONOLITHOS Catalysts.
La nanotecnologia è la chiave per aumentare la reattività
Per ottemperare alle sempre più severe norme sulle emissioni, le case automobilistiche sono costrette a caricare più MGP nelle marmitte catalitiche. Questi metalli hanno un’elevata efficienza di riduzione catalitica selettiva, il che significa che possono ridurre gli ossidi di azoto in azoto e acqua innocui. PROMETHEUS ha sintetizzato invece catalizzatori a base di nanomateriali sotto forma di polvere che impediscono alle particelle metalliche di agglomerarsi. A differenza delle loro controparti grossolane, le nanoparticelle hanno una superficie più ampia che ne migliora le proprietà, come la reattività del catalizzatore. «Il nuovo catalizzatore si basa su nanoparticelle di rame. L’efficienza catalitica del rame è relativamente bassa rispetto ad altri MGP. Per compensare ciò, MONOLITHOS ha aggiunto una quantità maggiore di rame nella miscela catalizzatrice, il cui costo è trascurabile», spiega Yakoumis. Nonostante il prezzo in aumento, il rame è ancora molto meno costoso rispetto ad altri MGP.
Un quadro dettagliato del processo di preparazione del catalizzatore
Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a sintetizzare grandi lotti di polveri di catalizzatore attivo (oltre 100 kg) contenenti rame, palladio e rodio. Per la sintesi dei nanocatalizzatori eterogenei, è stato impiegato un metodo ampiamente diffuso, noto come impregnazione a umido. Il processo sol-gel ha favorito il deposito delle nanoparticelle sul supporto del catalizzatore monolitico. Il vettore catalitico è stato ottimizzato per ottenere il massimo livello possibile di superficie attiva e di capacità di stoccaggio dell’ossigeno, che svolgono un ruolo fondamentale nell’attività catalitica delle reazioni di ossidazione. I ricercatori hanno inoltre utilizzato un legante speciale per ottenere un’impregnazione omogenea del catalizzatore sulle pareti del substrato monolitico. Tutti i materiali sono stati caratterizzati utilizzando diverse tecniche di microscopia. Per misurare in modo efficiente l’attività catalitica per le emissioni multi-gas (monossido di carbonio, ossidi di azoto e metano) umidificate con vapore acqueo, MONOLITHOS ha utilizzato un banco di prova a gas sintetico. Questa unità crea atmosfere di gas e temperature di reazione tipiche delle marmitte catalitiche delle automobili. Per testare l’invecchiamento dei catalizzatori, l’azienda ha posizionato i catalizzatori in un forno che veicola reazioni idrotermali ad alte pressioni e temperature. Il catalizzatore PROMETEO ha dimostrato la sua resistenza in seguito a invecchiamento idrotermico (tenore di acqua al 10 %) a 1 050 °C per 4 ore e a 850 °C per 16 ore. «Nonostante un utilizzo di MGP limitato al 15 %, i nostri catalizzatori hanno dimostrato attività simili a quelle dei catalizzatori commerciali Euro 6d», osserva Yakoumis. Finora sono state tentate diverse linee di azione per ridurre il contenuto di MGP nelle marmitte catalitiche. Trasformare i metalli in nanoparticelle, proprio come ha fatto MONOLITHOS, fornisce un vero e proprio impulso per la circolazione di veicoli più ecologici.
Parole chiave
PROMETHEUS, catalizzatore, MONOLITHOS, metallo del gruppo del platino (MGP), nanoparticelle, rame, metalli preziosi, marmitta catalitica, reattività
