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May 13, 2023

Le ceramiche a bassa temperatura operativa ci aiutano a respirare aria più pulita

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Sebbene gran parte del dibattito sulla riduzione delle emissioni dei veicoli sia incentrato sui veicoli elettrici (EV), le loro vendite rimangono basse, con veicoli elettrici che rappresenteranno solo l’1% degli acquisti di auto in Giappone nel 2021. Nel frattempo, si prevede che l’Unione Europea approvi norme più severe in materia di emissioni. norme nel prossimo futuro. Ciò rende il miglioramento delle prestazioni e della funzionalità dei catalizzatori per la purificazione dei gas di scarico nei veicoli alimentati a benzina o diesel una componente fondamentale nella spinta verso la neutralità delle emissioni di carbonio.

Quasi tutte le auto a benzina o diesel sono dotate di convertitori catalitici che rimuovono gli idrocarburi nocivi, il monossido di carbonio e l'ossido di azoto e li convertono in gas più sicuri come azoto, anidride carbonica e vapore acqueo. I gas tossici fluiscono attraverso una struttura a nido d'ape, rivestita con catalizzatori per la purificazione dei gas di scarico.

Le ceramiche con capacità di accumulo di ossigeno (OSC) svolgono un ruolo cruciale nel processo di purificazione. Aiutano a rimuovere i gas nocivi e impediscono l'ingrossamento dei metalli preziosi nei convertitori catalitici, che degrada le loro capacità di purificazione.

Per migliorarne le potenzialità è però necessaria una temperatura di esercizio più bassa. Ma gli scienziati hanno faticato a raggiungere questo obiettivo poiché la riduzione della temperatura a meno di 500 ºC comporta una diffusione degli ioni più lenta.

Ora, un gruppo di ricerca presso la Graduate School of Engineering dell'Università di Tohoku ha sviluppato un ossido a base di cerio-zirconio (Ce-Zr) con eccellente OSC a 400 ºC controllandone la struttura cristallina. L'OSC a 400 ºC era superiore di un fattore 13,5 rispetto ai materiali convenzionali, anche senza catalizzatori di metalli preziosi.

"La chiave del nostro successo è stata l'introduzione di una piccola quantità di metalli di transizione, come il ferro, negli ossidi a base di Ce-Zr", ha affermato il professor Hitoshi Takamura, leader del gruppo di ricerca.

Il "doping dei metalli di transizione" ha avuto due effetti notevoli sugli ossidi. Ha accelerato la diffusione dell'ossigeno facilitando la formazione di posti vacanti di ossigeno e promuovendo l'ordinamento dei cationi.

"L'ordinamento dei cationi riordina la struttura cristallina e facilita il rilascio dell'ossigeno", ha spiegato Takamura.

Il drogaggio del ferro ha ridotto la temperatura di ordinamento dei cationi, che a sua volta ha consentito un'area superficiale più ampia per gli ossidi a base di Ce-Zr. Ciò ne ha migliorato la durata e la capacità di purificare i gas tossici.

In futuro Takamura e il suo gruppo sperano di testare il materiale caricandolo con palladio su supporti a nido d'ape.

I dettagli della ricerca del gruppo sono stati pubblicati sul Journal of Materials Chemistry A il 27 settembre 2022. E l'articolo è stato scelto per la copertina della rivista.

Riferimento: Murakami K, Sugawara Y, Tomita J, Ishii A, Oikawa I, Takamura H. La sintesi a bassa temperatura dell'ossido a base di Ce – Zr ordinato cationico tramite una fase intermedia tra Ce e Fe. J Mater Chem A. 2022;10(40):21291-21299. doi: 10.1039/D2TA05068D

Questo articolo è stato ripubblicato dai seguenti materiali. Nota: il materiale potrebbe essere stato modificato nella lunghezza e nel contenuto. Per ulteriori informazioni rivolgersi alla fonte citata.