De los filtros de partículas de hollín a los combustibles renovables
Desentrañar los procesos químicos de los filtros de partículas de hollín revela nuevas vías para producir combustibles sintéticos
Las partículas de carbono están presentes en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. El hollín, formado por diminutas partículas de carbono, se genera cuando fuentes de energía como el petróleo o la madera no se queman completamente. Los filtros de partículas de hollín, por su parte, eliminan las partículas de tamaño nanométrico a micrométrico de los gases de escape de los coches con ayuda de reacciones químicas superficiales. Las partículas de carbono también podrían utilizarse en la industria, ya que a temperaturas superiores a 1.000 grados Celsius, el carbono puede convertirse con el dióxido de carbono (CO2) y el agua en precursores de combustibles sintéticos. En ambas aplicaciones, las reacciones químicas que tienen lugar en la superficie del carbono son esenciales, aunque no se conocen del todo las condiciones en las que dominan las vías de reacción específicas.
El dióxido de nitrógeno y el oxígeno degradan las partículas de carbono
Científicos del Instituto Max Planck de Química (MPIC) pueden ahora explicar mejor lo que ocurre durante la oxidación de las nanopartículas de carbono en el filtro de partículas. Examinaron lo que ocurre con las diminutas partículas de hollín en las condiciones típicas de los gases de escape de los motores diésel. A temperaturas que oscilan aproximadamente entre 270 y 450 °C, el carbono interactúa con los gases reactivos dióxido de nitrógeno (NO2) y oxígeno (O2). Los gases oxidan el carbono y lo descomponen. El resultado: cuanto mayor es la temperatura, más rápidamente desaparece la masa de carbono. Posteriormente, los investigadores introdujeron los datos experimentales en un modelo cinético multicapa conocido como KM-GAP-CARBON.
El modelo desvela lo que ocurre químicamente: a temperaturas más bajas, la descomposición del carbono está dominada por el dióxido de nitrógeno, mientras que a temperaturas más altas lo está por el oxígeno. Este cambio en las vías de reacción dominantes viene marcado por un desplazamiento gradual de la energía de activación necesaria para que se produzca una reacción química.
El modelo químico se basa en la investigación de los aerosoles atmosféricos
"Nuestro modelo se diseñó originalmente para describir la química de las partículas de polvo fino en la atmósfera, pero descubrimos que también funciona muy bien para aplicaciones técnicas de alta temperatura", afirma Thomas Berkemeier, autor principal del estudio y jefe del grupo de investigación del MPIC. "Nuestro modelo nos ayuda a entender por qué la vía de reacción química se ve influida por la temperatura. También explica una segunda peculiaridad: en las mediciones, observamos que la velocidad de reacción es mayor al principio y al final de la reacción."
Según el estudio publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie, los átomos de carbono más reactivos de la superficie de las partículas de carbono se oxidan y gasifican primero, lo que conduce a una acumulación de átomos menos reactivos en la superficie. Esto conduce inicialmente a una forma de pasivación de las partículas, y el proceso de oxidación se ralentiza. "Hacia el final de la reacción, la relación entre la superficie de las partículas y su volumen es especialmente grande, por lo que la velocidad de reacción normalizada por volumen vuelve a aumentar bruscamente", explica Berkemeier, que se propone examinar en el futuro la estructura precisa de las partículas mediante técnicas microscópicas y espectroscópicas. Además, el químico y su equipo planean nuevos estudios sobre la cinética de reacción para explorar los efectos de diversos oxidantes y condiciones.
La investigación básica contribuye al desarrollo de combustibles renovables
Ulrich Pöschl, coautor y director del Instituto Max Planck de Química, comentó: "Nuestra investigación no sólo mejora la comprensión de los procesos fundamentales en las nanosuperficies de carbono. También abre nuevas vías para innovaciones tecnológicas en los sectores del medio ambiente y la energía, por ejemplo, mediante avances en las tecnologías de captura de carbono y para optimizar las condiciones de producción en el desarrollo de combustibles sintéticos". Los resultados de décadas de investigación científica básica contribuyen así también a un desarrollo sostenible de la tecnología y la sociedad en el Antropoceno".
El término Antropoceno hace referencia a la época geológica actual, que se caracteriza por la influencia humana en el planeta Tierra, cada vez mayor y omnipresente en todo el mundo, y ha formado parte de las actividades científicas y la investigación en el Instituto Max Planck de Química desde su descubrimiento por el Premio Nobel Paul Crutzen.
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.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
