Cómo eliminan los catalizadores los peligrosos óxidos de nitrógeno
"Si sabemos exactamente dónde tiene lugar la reacción, la producción de catalizadores puede controlarse en consecuencia"
Los catalizadores de la familia de las zeolitas ayudan a eliminar los óxidos de nitrógeno tóxicos de las emisiones industriales. Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) han descubierto que su compleja estructura nanoporosa es crucial. En concreto, los átomos individuales de hierro que se asientan en determinados poros vecinos se comunican entre sí, impulsando así la reacción deseada.
La industria produce gases nocivos para el ser humano y el medio ambiente, por lo que hay que evitar que se escapen. Entre ellos se encuentran el óxido nítrico y el óxido nitroso, este último también conocido como gas de la risa. Ambos pueden producirse simultáneamente al fabricar fertilizantes, por ejemplo. Para eliminarlos de los gases residuales, las empresas utilizan catalizadores a base de zeolita. Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI), en colaboración con la empresa química suiza CASALE SA, han descubierto cómo estos catalizadores neutralizan la combinación de estos dos óxidos de nitrógeno. Los resultados de su investigación se han publicado en la revista Nature Catalysis y proporcionan pistas sobre cómo podrían mejorarse los catalizadores en el futuro.
Todo un zoo de especies de hierro
"La empresa CASALE, con sede en Lugano, se puso en contacto con nosotros porque quería comprender mejor el funcionamiento de sus catalizadores para la reducción del óxido de nitrógeno", explica Davide Ferri, jefe del grupo de investigación sobre catálisis aplicada y espectroscopia del Centro de Ciencias Energéticas y Medioambientales del PSI. Las zeolitas utilizadas para ello están compuestas por átomos de aluminio, oxígeno y silicio que forman una especie de armazón. Las zeolitas se encuentran en la naturaleza -como minerales en formaciones rocosas, por ejemplo- o pueden fabricarse sintéticamente. Muchos catalizadores utilizados en la industria química se basan en estos compuestos, a los que se añaden elementos adicionales a la estructura básica en función de la aplicación específica.
Cuando la estructura de la zeolita contiene también hierro como sustancia activa, permite la conversión de los dos óxidos de nitrógeno, el óxido nítrico (NO) y el óxido nitroso (N2O), en moléculas inocuas. "Sin embargo, estos átomos de hierro pueden estar situados en muchas posiciones diferentes del armazón de la zeolita y pueden poseer diversas formas", explica Filippo Buttignol, miembro del grupo de Ferri. Es el autor principal del nuevo estudio, que realizó como parte de su tesis doctoral. "El hierro puede alojarse en los pequeños espacios de la zeolita en forma de átomos individuales, o bien varios átomos de hierro pueden unirse entre sí y con átomos de oxígeno en espacios ligeramente más grandes de la red regular como agrupaciones diatómicas, multiatómicas o poliatómicas". En resumen, el catalizador contiene todo un zoológico de especies de hierro diferentes. "Queríamos saber cuál de estas especies de hierro es realmente responsable de la catálisis de los óxidos de nitrógeno".
Los investigadores, especializados en análisis espectroscópicos, sabían exactamente qué tres tipos de experimentos debían realizar para responder a esta pregunta. Los realizaron mientras tenía lugar la reacción catalítica en su muestra de zeolita. En primer lugar, utilizaron la Swiss Light Source SLS del PSI para analizar el proceso mediante espectroscopia de absorción de rayos X. "Esto nos permitió observar simultáneamente todas las especies de hierro", explica Buttignol. A continuación, en colaboración con la ETH de Zúrich, utilizaron la espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones para determinar la contribución de cada especie. Y por último, de nuevo en el PSI, los científicos utilizaron la espectroscopia infrarroja para determinar el aspecto molecular de las distintas especies de hierro.
La catálisis se produce en los átomos individuales que se comunican entre sí
Cada uno de estos tres métodos aportó una de las piezas del rompecabezas que finalmente dio como resultado la siguiente imagen de conjunto: Es en los átomos individuales de hierro situados en dos tipos muy específicos de poros de zeolita donde tiene lugar la catálisis. Dos átomos de hierro actúan juntos en poros vecinos de la estructura recurrente: uno, que se encuentra en el centro de una disposición cuadrada de átomos de oxígeno de la zeolita y donde tiene lugar la reacción química del N2O, se comunica con otro átomo de hierro, que está rodeado por una disposición de oxígeno en forma de tetraedro y donde reacciona el NO.
"Sólo precisamente en esta constelación vemos contribuciones del hierro a la eliminación química de los dos gases", afirma Buttignol. Cada uno de estos átomos de hierro cedía un electrón y lo volvía a tomar, es decir, en ellos se producía una y otra vez la reacción redox típica de la catálisis. Un rasgo característico del funcionamiento de un catalizador es que no se gasta ni cambia permanentemente, sino que siempre vuelve a su estado químico original y, por tanto -al menos en teoría- tiene una vida útil ilimitada.
Eliminación más eficaz de los peligrosos óxidos de nitrógeno
Ferri resume la importancia del nuevo estudio: "Si sabemos exactamente dónde tiene lugar la reacción, la producción de catalizadores puede controlarse en consecuencia".
La catálisis y, por tanto, la eliminación de NO y N2Odel aire de escape industrial es importante, ya que ambos son tóxicos para el ser humano. Además, ambos gases son nocivos para el medio ambiente: El NO es una de las causas de la lluvia ácida, mientras que el óxido nitroso N2Oes tan altamente activo para el clima que una de sus moléculas contribuye casi 300 veces más al efecto invernadero que una molécula deCO2.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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