Una de las principales aplicaciones industriales de algunos metales del grupo de platino como son el rodio y el paladio son los catalizadores, unos dispositivos situados en el sistema de escape que permiten eliminar la mayor parte de las emisiones contaminantes. El encarecimiento de estos metales ha obligado a investigar fórmulas de reducir la carga de éstos por vehículo, sin perder efectividad.
La tendencia actual pasa por sustituir el paladio por platino, más asequible, en los catalizadores de vehículos con motor de gasolina, al tiempo que se buscan fórmulas para reducir la carga de rodio, cuyo precio supera los 20.000 dólares la onza.
La clave para ello puede estar en una investigación, publicada en la revista Nano, y realizada por un equipo de científicos del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste y de la Universidad Estatal de Washington.
Los científicos que participan en este proyecto han demostrado que es posible reducir las emisiones de monóxido de carbono y óxido de nitrógeno utilizando una cantidad de rodio tres veces menor a la habitual en los catalizadores.
En palabras de Yong Wang, profesor de ingeniería química en la Universidad Estatal de Washington, “lo que hemos descubierto contradice la teoría convencional de que se necesitan muchos átomos de rodio juntos, en forma de nanopartícula, para obtener esta reacción química. Hemos demostrado que un solo átomo de rodio puede realizar mejor la tarea de eliminar los elementos contaminantes que una nanopartícula de este metal”.
La investigación llevada por estas dos instituciones se ha centrado en los llamados catalizadores de tres vías, que son los que reducen las emisiones de monóxido de carbono, óxido de nitrógeno e hidrocarburos como el metano.
El óxido de nitrógeno forma parte de una serie de compuestos contaminantes que contribuyen al calentamiento global. Por su parte, el monóxido de carbono en altas concentraciones resulta tóxico para los humanos.
Los catalizadores interceptan y deshacen estos compuestos químicos antes de que lleguen al tubo de escape. Así, los catalizadores de tres vías convierten el óxido de nitrógeno en nitrógeno y el monóxido de carbono y los hidrocarburos en dióxido de carbono.
Estos dispositivos se han utilizado durante décadas en los motores de combustión interna, pero, además de la subida del precio de los metales preciosos que les sirven de materia prima, se enfrentan a un problema adicional que reduce su eficacia: conforme los vehículos son más eficientes en cuanto al consumo de combustible, la temperatura del tubo de escape disminuye.
Esto representa un problema para los catalizadores convencionales, diseñados para trabajar con las altas temperaturas habituales en los motores más antiguos. Pero no funcionan igual a temperaturas más bajas.
El reto consiste en diseñar materiales que puedan convertir el 90% de las emisiones contaminantes a 150 grados centígrados, temperatura considerada como baja en los dispositivos de control de emisiones. Además, los materiales tienen que ser lo suficientemente estables como para soportar miles de kilómetros.
Los átomos de rodio, mejor sueltos
El estudio se basa en un experimento preliminar de Wang y sus colegas, que lograron atrapar átomos aislados de platino en un soporte de óxido de cerio (un compuesto utilizado en la industria de la cerámica) tras calentarlos a más de 800 grados.
A esta temperatura, lo normal es que los átomos flotantes del metal comiencen a unirse, lo que reduce su capacidad catalítica. Sin embargo, en el experimento mencionado, los átomos de platino se quedan fijos en el soporte de óxido de cerio y siguen aislados, por lo que actúan contra los compuestos contaminantes de forma más efectiva que si estuvieran unidos en nanopartículas.
Sobre esta base, la nueva investigación realizó el mismo procedimiento para atrapar átomos de rodio, logrando convertir el 100% del óxido de nitrógeno a temperaturas tan bajas como 120 grados.
Los responsables del ensayo creen que este descubrimiento podría facilitar la fabricación de catalizadores más económicos, estables y que funcionen a bajas temperaturas, mediante un uso más eficiente del rodio.
Además, los científicos se están planteando aplicar esta metodología a otros metales catalíticos de alto precio, como el paladio y el rutenio.