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Átomos individuais de paládio ligados à superfície de um catalisador podem remover 90% do metano não queimado da exaustão do motor a gás natural em baixas temperaturas, relataram cientistas hoje na revista Natureza Catálise.
Embora mais pesquisas precisem ser feitas, disseram eles, o avanço na catálise de átomo único tem o potencial de reduzir as emissões de metano, um dos piores gases do efeito estufa, que retém o calor em cerca de 25 vezes a taxa de dióxido de carbono.
Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Washington State University mostraram que o catalisador removeu o metano do escapamento do motor tanto nas temperaturas mais baixas onde os motores dão partida quanto nas temperaturas mais altas onde eles operam com mais eficiência, mas onde os catalisadores frequentemente quebram.
“É quase um processo de automodulação que supera milagrosamente os desafios que as pessoas têm enfrentado – inatividade em baixa temperatura e instabilidade em alta temperatura”, disse Yong Wang, professor regente da Escola de Engenharia Química e Bioengenharia Gene and Linda Voiland da WSU e um dos quatro principais autores do artigo.
Uma fonte crescente de poluição por metano
Os motores movidos a gás natural alimentam de 30 a 40 milhões de veículos em todo o mundo e são populares na Europa e na Ásia. A indústria de gás natural também os utiliza para operar compressores que bombeiam gás para as casas das pessoas. Eles são geralmente considerados mais limpos do que os motores a gasolina ou diesel, criando menos carbono e poluição particulada.
No entanto, quando os motores a gás natural ligam, eles emitem metano não queimado, que retém o calor porque seus conversores catalíticos não funcionam bem em baixas temperaturas. Os catalisadores atuais para remoção de metano são ineficientes em temperaturas de exaustão mais baixas ou se degradam severamente em temperaturas mais altas.
“Há um grande impulso para o uso de gás natural, mas quando você o usa para motores de combustão, sempre haverá gás natural não queimado do escapamento e é preciso encontrar uma maneira de removê-lo. Caso contrário, você causa um aquecimento global mais severo”, disse o coautor Frank Abild-Pedersen, cientista da equipe do SLAC e codiretor do laboratório SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, que é administrado em conjunto com a Universidade de Stanford. “Se você pode remover 90% do metano do escapamento e manter a reação estável, isso é tremendo.”
Um catalisador com átomos individuais do metal quimicamente ativo disperso em um suporte também usa cada átomo do metal caro e precioso, acrescentou Wang.
“Se você pode torná-los mais reativos”, disse ele, “isso é a cereja do bolo”.
Ajuda inesperada de um colega poluente
Em seu trabalho, os pesquisadores mostraram que seu catalisador feito de átomos únicos de paládio em um suporte de óxido de cério removeu com eficiência o metano do escapamento do motor, mesmo quando o motor estava apenas começando.
Eles também descobriram que vestígios de monóxido de carbono que estão sempre presentes no escapamento do motor desempenham um papel fundamental na formação dinâmica de locais ativos para a reação à temperatura ambiente. O monóxido de carbono ajudou os átomos individuais de paládio a migrar para formar aglomerados de dois ou três átomos que quebram eficientemente as moléculas de metano em baixas temperaturas.
Então, à medida que as temperaturas de exaustão aumentavam, os aglomerados se fragmentavam em átomos únicos e se redispersavam, de modo que o catalisador era termicamente estável. Esse processo reversível permitiu que o catalisador funcionasse de maneira eficaz e usasse cada átomo de paládio durante todo o tempo em que o motor estivesse funcionando – inclusive quando começasse a esfriar.
“Conseguimos realmente encontrar uma maneira de manter o catalisador de paládio suportado estável e altamente ativo e, devido à experiência diversificada da equipe, entender por que isso estava ocorrendo”, disse o cientista da equipe do SLAC, Christopher Tassone.
Os pesquisadores estão trabalhando para avançar ainda mais a tecnologia de catalisadores. Eles gostariam de entender melhor por que o paládio se comporta de uma maneira enquanto outros metais preciosos, como a platina, agem de maneira diferente.
A pesquisa tem um longo caminho a percorrer antes de ser colocada dentro de um carro, mas os pesquisadores estão colaborando com parceiros da indústria, bem como com o Laboratório Nacional Pacific Northwest do DOE para aproximar o trabalho da comercialização.
Junto com Wang, Abild-Pedersen e Tassone, Dong Jiang, pesquisador associado sênior da WSU’s Voiland School, também liderou o trabalho. O trabalho foi financiado pelo DOE Office of Science e incluiu pesquisas realizadas no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC, no Argonne National Laboratory’s Advanced Photon Source (APS) e no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), que são instalações do usuário do DOE Office of Science.
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