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Um catalisador usando um único ou apenas alguns átomos de paládio removeu 90% do metano não queimado da exaustão do motor a gás natural em baixas temperaturas em um estudo recente. Embora mais pesquisas precisem ser feitas, o avanço na catálise de átomo único tem o potencial de reduzir as emissões de metano, um dos piores gases de efeito estufa que retém o calor em cerca de 25 vezes a taxa de dióxido de carbono.
Reportagem no jornal, Natureza Catáliseum esforço de pesquisa entre a Washington State University e o SLAC National Accelerator Laboratory mostrou que o catalisador de átomo único foi capaz de remover o metano do escapamento do motor em temperaturas mais baixas, menos de 350 graus Celsius (662 graus Fahrenheit), mantendo a estabilidade da reação em temperaturas mais altas.
“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 autor correspondente do artigo.
Os motores a gás natural são usados em cerca de 30 a 40 milhões de veículos em todo o mundo e são populares na Europa e na Ásia. A indústria do gás também os utiliza para operar compressores que bombeiam gás natural 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 esses motores movidos a gás natural ligam, eles emitem metano não queimado, retentor de calor, porque seus conversores catalíticos não funcionam bem em baixas temperaturas. Os catalisadores 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 National Accelerator Laboratory. “Se você pode remover 90% do metano do escapamento e manter a reação estável, isso é tremendo.”
Um catalisador de átomo único com os metais ativos dispersos individualmente em um suporte também usa cada átomo dos metais caros e preciosos, acrescentou Wang.
“Se você pode torná-los mais reativos, essa é a cereja do bolo”, disse ele.
Em seu trabalho, os pesquisadores foram capazes de mostrar 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 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 de tamanho subnanométrico se dispersavam novamente em átomos únicos, de modo que o catalisador era termicamente estável. Esse processo reversível permite que o catalisador funcione de maneira eficaz e use cada átomo de paládio durante todo o tempo em que o motor estiver funcionando – inclusive quando ele estiver frio.
“Fomos realmente capazes de encontrar uma maneira de manter o catalisador de paládio suportado estável e altamente ativo e, devido aos diversos conhecimentos da equipe, entender por que isso estava ocorrendo”, disse Christopher Tassone, cientista da equipe do SLAC National Accelerator Laboratory e coautor do artigo.
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 Pacific Northwest National Laboratory para um dia aproximar o trabalho da comercialização.
Além de Wang, Abild-Pedersen e Tassone, Dong Jiang, pesquisador associado sênior da Voiland School, também liderou o trabalho. O trabalho foi financiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
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