Emissioni diesel più pulite
Villigen, 12.03.2018 - Abbattimento più efficace degli ossidi di azoto dai motori diesel mediante aggiunta controllata di ammoniaca. La combustione del carburante nei motori diesel produce ossidi di azoto (NOx) dannosi per la salute. Per ridurne le emissioni, l'industria automobilistica ha sviluppato una tecnica che prevede il dosaggio di ammoniaca gassosa nei gas di scarico. Unitamente ad un catalizzatore, l’ammoniaca reagisce con gli ossidi di azoto per produrre acqua e azoto, due gas innocui. A basse temperature, tuttavia, questo processo non funziona ancora in modo efficace. Per la prima volta, scienziati dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno studiato a livello molecolare un rimedio per controllare i gas di scarico dei motori diesel: la quantità di ammoniaca aggiunta deve essere variata a seconda della temperatura. Sulla base di questa conoscenza, i produttori potrebbero migliorare l'efficacia dei loro convertitori catalitici per veicoli diesel. I ricercatori hanno pubblicato la loro scoperta sulla rivista Nature Catalysis.
Per combattere efficacemente gli ossidi di azoto presenti nei gas di scarico dei motori diesel, il processo deve essere continuamente adattato alla temperatura del gas di scarico. Questa scoperta è stata fatta da ricercatori del PSI che studiano il processo cosiddetto di riduzione selettiva catalitica (SCR).
Il processo SCR contribuisce alla riduzione delle emissioni di ossidi di azoto dai motori diesel fino al 90 percento. Questo viene realizzato mediante un additivo noto con il nome commerciale di AdBlue. L'additivo viene iniettato nello scarico del motore dove si decompone in ammoniaca. Con l'ausilio di un catalizzatore, l'ammoniaca converte gli ossidi di azoto in gas innocui, acqua e azoto.
Tuttavia, il processo SCR fornisce risultati soddisfacenti solo a temperature dei gas di scarico superiori a 200 gradi Celsius. Quindi nel caso di una partenza a freddo, ci vogliono alcuni minuti prima che gli ossidi di azoto vengano abbattuti efficacemente. Per lo stesso motivo, le prestazioni SCR sono inferiori nelle fredde giornate invernali.
Capire come i processi di reazione variano nel tempo
Ma perché i processi di reazione funzionano in modo così diverso in condizioni variabili? Per scoprirlo, un gruppo di ricerca del PSI ha studiato i processi chimici in un catalizzatore a base di rame e zeolite. Il materiale, utilizzato ad esempio nei motori delle autovetture e degli automezzi leggeri, è stato studiato con luce a raggi X alla sorgente svizzera di luce di sincrotrone (ovvero in inglese, Swiss Light Source, SLS). "In poche parole, illuminiamo il catalizzatore con raggi X altamente concentrati", spiega il ricercatore del PSI Maarten Nachtegaal. "Così possiamo osservare cosa succede durante le reazioni a livello degli atomi di rame e delle molecole ad essi legate".
I ricercatori del PSI hanno usato una tecnica spettroscopica ad alta risoluzione temporale che presenta un vantaggio fondamentale rispetto ai metodi convenzionali: mostra il progredire delle reazioni in modo continuo invece di fornirne solo delle istantanee. "La risoluzione temporale qui al SLS è quasi unica al mondo", sottolinea Nachtegaal. È importante comprendere le variazioni temporali nei processi proprio perché, ad esempio, la temperatura dei gas di scarico e le quantità di ammoniaca e di ossidi di azoto che entrano nel convertitore catalitico cambiano continuamente durante il funzionamento di un veicolo.
La quantità di ammoniaca è fondamentale per ridurre le emissioni
È l'ammoniaca stessa che a basse temperature riduce l'efficienza del rame nella marmitta catalitica. È questa l'intuizione più importante ottenuta nell'esperimento di spettroscopia.
Il ricercatore del PSI Davide Ferri ne riassume l'essenza: "L'ammoniaca è necessaria per rimuovere gli ossidi di azoto, ma se c'è troppa ammoniaca, il convertitore catalitico funziona solo in misura limitata. Quindi, a seconda della temperatura e delle condizioni operative, sono necessarie diverse quantità di ammoniaca per rimuovere gli ossidi di azoto in modo ottimale."
Come passo successivo, sulla base delle conoscenze acquisite grazie alla spettroscopia, i ricercatori hanno studiato il funzionamento del catalizzatore a base di rame-zeolite in condizioni operative realistiche: "In laboratorio, con temperature variabili, abbiamo alimentato diverse quantità di ammoniaca e misurato quale dose di ammoniaca produce il miglior risultato in ciascuna situazione ", dice Ferri. "Siamo stati in grado di dire esattamente quando la marmitta catalitica dovrebbe ricevere una quantità di ammoniaca sufficiente per mantenere gli ossidi di azoto nei gas di scarico sui livelli più bassi possibile."
Migliore qualità dell'aria grazie al controllo ottimizzato del convertitore catalitico
Nachtegaal riassume il risultato del progetto di ricerca: "Con il nostro lavoro, abbiamo ottenuto una migliore comprensione di come sia possibile aumentare l'efficienza dei convertitori catalitici dei veicoli diesel". Così i ricercatori del PSI possono proporre all'industria automobilistica un modo per ottenere miglioramenti a medio termine nella qualità dell'aria.
Testo: Istituto Paul Scherrer
Pubblicazione originale
Time-resolved copper speciation during selective catalytic reduction of NO on Cu-SSZ-13
Time-resolved copper speciation during selective catalytic reduction of NO on Cu-SSZ-13
A. Marberger, A. W. Petrov, P. Steiger, M. Elsener, O. Kröcher, M. Nachtegaal, D. Ferri
Nature Catalysis, 8 March 2018 (online),
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41929-018-0032-6
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