Optimization of nanostructured materials for hydrocarbon abatement during the cold-start period of gasoline vehicles

Resumo

INTRODUCCIÓN El trabajo expuesto en esta memoria, aborda el grave problema medioambiental que supone la emisión de hidrocarburos y CO en los gases de escape de los vehículos de gasolina durante el periodo de arranque en frío. En este sentido, se plantea una solución viable para su eliminación completa mediante el desarrollo de tecnologías adecuadas. Para adaptar los nuevos vehículos al futuro marco legal, que se espera cada vez más restrictivo a este respecto, se hace necesario disponer de soluciones tecnológicas para el control y eliminación de estos contaminantes. DESARROLLO TEÓRICO En el desarrollo de este trabajo se han estudiado dos procesos principales: el desarrollo de una trampa catalítica de hidrocarburos y de un catalizador de oxidación de CO. La reducción de las emisiones de hidrocarburos ha sido abordada mediante la optimización del diseño de una zeolita Cu-ZSM-5. Los resultados obtenidos revelaron que la sustitución parcial de protones en posiciones de intercambio por cationes cobre en la zeolita ZSM-5 condujeron a un material que se comportó de manera ideal en condiciones de arranque en frío simulado a una velocidad espacial de 10K h-1. Estos resultados fueron apoyados por los obtenidos mediante herramientas de simulación molecular. Se observó que la presencia simultánea de cobre y protones en la estructura de la zeolita permitían la creación de puntos de adsorción selectiva para las distintas moléculas presentes en la fase gas. En este material, los cationes de cobre en posiciones de intercambio atraen fuertemente a las moléculas de agua dejando libres el resto de puntos de adsorción para la retención de los hidrocarburos de los gases de escape. También se demostró que la presencia de óxidos de cobre tenía un papel importante en el comportamiento de la trampa, ya que eran las especies encargadas de llevar a cabo la combustión catalítica de los hidrocarburos. La oxidación de los hidrocarburos modelo una vez desorbidos contribuyó al aumento de la eficiencia de la trampa. Por ello, la cantidad de cationes cobre en posiciones de intercambio así como la presencia de nanopartículas de cobre en la superficie externa de los cristales de la zeolita fueron considerados parámetros clave para explicar el comportamiento de este sólido. Sin embargo, a pesar de la actividad catalítica, se observó la sinterización de estas especies de cobre en condiciones de arranque en frío, lo que resultó en la disminución de la actividad catalítica. Para optimizar las condiciones de preparación de la trampa se llevó a cabo un diseño factorial de experimentos. Los resultados obtenidos revelaron que la concentración del precursor de cobre usado en la síntesis fue el factor que más influía en la eficiencia de eliminación de los hidrocarburos. Altas concentraciones del precursor de nitrato de cobre llevaron a una distribución heterogénea de las nanopartículas de óxido de cobre entre 2 y 20 nm. Por otro lado, el uso de acetato de cobre como precursor condujo a una distribución homogénea de las nanopartículas de 2.5 ± 0.5 nm. Por ello, las principales conclusiones de esta apartado fueron que altas cargas de cobre junto con una dispersión homogéneas de las nanopartículas son las características más adecuadas para diseñar una trampa catalítica de hidrocarburos eficiente. Para alcanzar estos requerimientos, se desarrolló una zeolita con porosidad jerarquizada que era capaz de tratar el 100% de los hidrocarburos a una velocidad espacial de 60K h-1. La mayor superficie externa derivada de la creación de mesoporosidad junto con la conservación de las propiedades ácidas y cristalinas intrínsecas de la zeolita H-ZSM-5 comercial, llevaron a un aumento de la accesibilidad a los cationes cobre localizados en posiciones de intercambio y a un aumento de la dispersión de las nanopartículas de óxido de cobre. En vista de estas características, se desarrolló un catalizador bifuncional que fue capaz de eliminar el 100% de los hidrocarburos en condiciones de arranque en frío simulado. Sin embargo, se observó una ligera desactivación cuando el CO estaba presente en el flujo de entrada. En estas condiciones, se formaron depósitos de coque sobre la superficie de la trampa que desaparecieron al colocar un catalizador de oxidación de CO muy activo y estable delante de la trampa. En relación con el tratamiento de las emisiones de CO durante el arranque en frío, se ha desarrollado de un catalizador de oxidación de CO muy activo y estable. El material empleado consistió en nanopartículas de oro soportadas sobre un material mesoporoso UVM-7 impregnado con TiO2, en el que nanopartículas de oro de alrededor de 3.0 nm estaban homogéneamente dispersadas sobre el soporte incluso a temperaturas de 800 ºC. La alta estabilidad térmica observada fue demostrada en el control de las emisiones de CO en condiciones de arranque en frío mediante la eliminación del 100% de CO a una velocidad espacial de 200K h-1 sin observarse sinterización aparente. CONCLUSIÓN En este trabajo, se ha desarrollado una propuesta factible para la eliminación completa de los hidrocarburos y el CO presentes en los gases de escape durante el periodo de arranque en frío. Esta propuesta incluye tanto la síntesis como la optimización de la trampa de hidrocarburos y el catalizador de oxidación de CO. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA [1]. R.M. Heck, R.J. Farrauto, Appl. Catal., A 221 (2001) 443-457. [2]. R.M. Heck, R.J. Farrauto, Catalytic Air Pollution Control. 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