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À luz dos poluentes veiculares que contribuem para a diminuição da qualidade do ar, os governos de todo o mundo estão impondo regulamentações de emissão mais rígidas para automóveis. Isso exige o desenvolvimento de sistemas de pós-tratamento de gases de escape mais eficientes (ou seja, sistemas para “limpar” os gases de escape antes de serem liberados na atmosfera). O modo mais comum de tratar as emissões de escapamento de motores de combustão interna movidos a gasolina são os catalisadores de três vias (TWCs) ou conversores catalíticos. Os TWCs geralmente compreendem metais ativos, como nanopartículas de platina (Pt) e paládio (Pd) e materiais de armazenamento de oxigênio com alta área superficial específica, como uma solução sólida de CeO2-ZrO2(ZC). Esses componentes podem catalisar várias reações de oxidação e redução que podem converter gases nocivos dos motores dos veículos em gases inofensivos.
A durabilidade, precisão e desempenho de um TWC dependem de fatores como o oxigênio armazenado ou removido do volume e da superfície dos materiais de armazenamento de oxigênio. Portanto, entender claramente o transporte de oxigênio e a dinâmica do material de armazenamento é necessário para melhorar sua eficiência. Infelizmente, faltam técnicas que possam permitir o rastreamento direto do processo de armazenamento de oxigênio em TWCs.
Em um recente avanço publicado em Revista de Engenharia Química, no entanto, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor assistente Tsuyoshi Nagasawa, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), apresentou uma solução para o problema. A equipe desenvolveu uma nova técnica para visualização direta do processo de armazenamento de oxigênio em Pd/CZ TWCs usando a técnica de extinção de isótopos. O professor Nagasawa explica: “É difícil obter clareza sobre as interações dinâmicas – como adsorção/dessorção de oxigênio e difusão de superfície/volume – ocorrendo em superfícies TWC, porque elas só podem ser estimadas indiretamente a partir da mudança de valência do cério em CZ , ou o estado de oxidação do metal nobre. No entanto, nosso método supera esses problemas incorporando marcação isotópica com extinção de reação, o que nos permite investigar os processos de armazenamento de oxigênio rastreando o 18O isótopo envolvido nessas interações.”
Como essa técnica de extinção de isótopos foi realizada? A equipe preparou um modelo TWC composto por um metal precioso, Pd, e um substrato CZ denso, armazenado 18O2 nele a 600 °C e, em seguida, resfriou o catalisador usando dois bicos de gás hélio cobertos por uma camisa de resfriamento de água. Eles então usaram espectrometria de massa de íons secundários de alta resolução para analisar o 18Odistribuição na superfície e volume de Pd/CZ.
Os resultados indicaram que o Pd melhora a profundidade de difusão de 18O em massa CZ, bem como sua concentração de superfície. Revelou ainda que 18O O foi preferencialmente adsorvido na interface Pd/CZ em relação ao centro de Pd, onde sua concentração foi menor. Os cálculos da teoria funcional de densidade também concordaram com essas observações.
Por fim, a equipe calculou as taxas locais de liberação/armazenamento de oxigênio comparando 18Odistribution e uma simulação de liberação/armazenamento de oxigênio usando uma equação de difusão. Eles descobriram que as taxas locais eram comparáveis e consistentes com as medições convencionais da capacidade de armazenamento de oxigênio.
Este novo processo de visualização fornece informações úteis sobre os mecanismos de armazenamento e liberação de oxigênio em sistemas de materiais de metal/oxigênio e pode ser usado para investigar e melhorar o desempenho e a eficiência dos TWCs usados no tratamento de exaustão de automóveis. “Os compostos orgânicos voláteis e óxidos de nitrogênio e carbono comumente produzidos por motores de combustão, se liberados sem tratamento, podem não apenas causar problemas de saúde relacionados à respiração, mas também impactar indiretamente na aceleração do aquecimento global. Com nosso estudo, queríamos contribuir rumo à missão mundial de alcançar melhores práticas de emissão”, conclui o Prof. Nagasawa.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Instituto de Tecnologia de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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