Ha llegado el momento: nanopartículas metálicas para la catálisis
Muchas tecnologías se basan en el empleo de catalizadores: materiales capaces de aumentar el ritmo de una reacción química sin sufrir ninguna alteración. Un ejemplo conocido son los sistemas de escape en los coches, que convierten gases tóxicos en otros menos perjudiciales. Por desgracia, los catalizadores suelen resultar caros, ya que normalmente contienen uno o más metales preciosos, como el platino, el rodio o el paladio, cuya disponibilidad es limitada. En el proyecto PROMETHEUS, financiado con fondos europeos, se ha encontrado una manera de evitar este obstáculo en el sector del automóvil: un sistema que utiliza tan solo una décima parte de metales preciosos y que mantiene la misma eficiencia catalítica. «Hasta ahora, pensábamos que la calidad de los convertidores catalíticos en el sector del automóvil estaba directamente relacionada con la cantidad de metales del grupo del platino (MGP) presente en el catalizador. Los hallazgos de PROMETHEUS demuestran que la nanotecnología contribuye a producir catalizadores en este sector con una reducción del 85 % en el volumen de metales preciosos, y con el mismo rendimiento que los catalizadores comerciales utilizados en vehículos que cumplen con la normativa Euro 6d», observa Iakovos Yakoumis, coordinador de PROMETHEUS y fundador de MONOLITHOS Catalysts, la empresa coordinadora.
Nanotecnología: la clave para aumentar la reactividad
A fin de cumplir con unas normativas sobre emisiones cada vez más exigentes, los fabricantes de automóviles se ven forzados a aumentar la cantidad de MGP en los convertidores catalíticos. Los MGP tienen una eficacia de reducción catalítica selectiva muy alta, lo que significa que pueden reducir los óxidos de nitrógeno y transformarlos en agua y nitrógeno, eliminando así su carácter nocivo. En su lugar, PROMETHEUS ha desarrollado unos catalizadores con nanomateriales en polvo que evitan la aglomeración de partículas metálicas. A diferencia de los modelos en bloque, las nanopartículas tienen una mayor área de superficie, lo que mejora sus propiedades, como la reactividad catalítica. «El nuevo catalizador emplea nanopartículas de cobre, que tiene una eficiencia catalítica relativamente baja en comparación con otros MGP. Para compensar esta diferencia, MONOLITHOS añadió una mayor cantidad de cobre en la mezcla catalizadora, lo que supone un coste insignificante», explica Yakoumis. A pesar de que su precio va en aumento, el cobre sigue siendo mucho menos caro que otros MGP.
El proceso de preparación del catalizador
Los investigadores lograron por primera vez crear grandes lotes de polvo catalizador activo (más de 100 kg) con cobre, paladio y rodio. Para la síntesis de los nanocatalizadores heterogéneos, utilizaron un método muy habitual conocido como impregnación húmeda. El proceso sol-gel contribuyó a depositar las nanopartículas en el soporte para el catalizador monolítico. El soporte del catalizador se ha optimizado para obtener el mayor nivel posible de superficie activa y capacidad de almacenamiento de oxígeno, dos factores que desempeñan un papel esencial en la actividad catalítica de las reacciones oxidativas. Los investigadores también utilizaron un aglutinante especial para lograr una impregnación homogénea del catalizador en las paredes del sustrato monolítico. Todos los materiales se caracterizaron mediante diferentes técnicas microscópicas. A fin de medir eficientemente la actividad catalítica en las emisiones de múltiples gases (monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y metano) humidificados con vapor de agua, MONOLITHOS utilizó un banco de gases sintético. Esta unidad genera las atmósferas de gas y temperaturas de reacción que se suelen encontrar en los convertidores catalíticos del sector de la automoción. Para comprobar el envejecimiento catalítico, la empresa colocó los catalizadores en un horno con reacciones hidrotérmicas a niveles altos de temperatura y presión. El catalizador de Prometheus logró resistir tras un envejecimiento hidrotérmico (con un 10 % de agua) a 1 050 °C durante cuatro horas y a 850 °C durante dieciséis horas. «A pesar de limitar el uso de MGP a un 15 %, nuestros catalizadores mostraron una actividad similar a la de los catalizadores Euro 6d comerciales», indica Yakoumis. Hasta ahora, se habían probado diferentes estrategias para reducir el contenido de MGP en los convertidores catalíticos. El enfoque de MONOLITHOS —la transformación de metales en nanopartículas— supone un verdadero impulso en el esfuerzo por lograr vehículos más ecológicos.
Palabras clave
PROMETHEUS, catalizador, MONOLITHOS, metales del grupo del platino (MGP), nanopartícula, cobre, metales preciosos, convertidor catalítico, reactividad
