Dai filtri antiparticolato ai carburanti rinnovabili
La chiarificazione dei processi chimici nei filtri per le particelle di fuliggine apre nuove strade per la produzione di carburanti sintetici
Le particelle di carbonio sono presenti in molti ambiti della nostra vita. La fuliggine, cioè minuscole particelle di carbonio, si produce quando fonti energetiche come il petrolio o il legno non vengono bruciate completamente. I filtri per particelle di fuliggine, invece, rimuovono le particelle di dimensioni da nanometriche a micrometriche dai gas di scarico delle auto con l'aiuto di reazioni chimiche di superficie. Le particelle di carbonio potrebbero essere utilizzate anche a livello industriale, in quanto il carbonio può essere convertito con l'anidride carbonica (CO2) e l'acqua in precursori di combustibili sintetici a temperature superiori a 1000 gradi Celsius. In entrambe le applicazioni, le reazioni chimiche sulla superficie del carbonio giocano un ruolo decisivo, ma non è del tutto chiaro in quali condizioni prevalgano determinati percorsi di reazione.
Il carbonio viene scomposto dal biossido di azoto e dall'ossigeno
I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Chimica possono ora spiegare meglio cosa accade durante l'ossidazione delle nanoparticelle di carbonio nel filtro antiparticolato. Hanno studiato cosa succede alle minuscole particelle di fuliggine in condizioni tipiche dei gas di scarico dei motori diesel. A temperature di circa 270 - 450° Celsius, il carbonio incontra i gas reattivi biossido di azoto (NO2) e ossigeno (O2). Questi gas ossidano il carbonio e lo decompongono. Il risultato: più alta è la temperatura, più velocemente scompare la massa di carbonio. I ricercatori hanno quindi inserito i dati sperimentali nel cosiddetto modello cinetico multistrato (KM-GAP-CARBON).
La modellazione mostra ciò che accade dal punto di vista chimico: A temperature più basse, la decomposizione del carbonio è determinata dal biossido di azoto, mentre a temperature più elevate è determinata dall'ossigeno. Contemporaneamente al cambiamento della via di reazione dominante, cambia anche l'energia di attivazione che deve essere applicata per far avvenire una reazione chimica.
Il modello chimico nasce dalla ricerca sull'aerosol atmosferico
"Il nostro modello è stato originariamente sviluppato per descrivere la chimica degli aerosol e del particolato nell'atmosfera. Tuttavia, funziona molto bene anche per le applicazioni tecniche ad alta temperatura", afferma Thomas Berkemeier, autore principale dello studio e leader del gruppo di ricerca presso il Max Planck Institute di Mainz. "Il nostro modello ci aiuta a capire perché il percorso della reazione chimica è influenzato dalla temperatura. Spiega anche una seconda particolarità: nelle misurazioni, osserviamo che il tasso di reazione è più alto all'inizio e alla fine della reazione".
Secondo lo studio, pubblicato di recente sulla rivista Angewandte Chemie, gli atomi di carbonio più reattivi vengono prima ossidati e volatilizzati sulla superficie delle particelle di carbonio, il che porta a un minor numero di atomi reattivi che si accumulano sulla superficie. Questo porta inizialmente a una sorta di passivazione delle particelle e l'ossidazione rallenta. "Verso la fine della reazione, il rapporto tra l'area superficiale delle particelle e il loro volume è particolarmente elevato, motivo per cui il tasso di reazione normalizzato per il volume aumenta di nuovo bruscamente", spiega Berkemeier, che in futuro vorrebbe anche analizzare la struttura esatta delle particelle utilizzando metodi microscopici e spettroscopici. Il chimico e il suo team stanno inoltre pianificando ulteriori studi di cinetica di reazione per indagare gli effetti di altri agenti ossidanti e condizioni.
La ricerca di base contribuisce allo sviluppo di carburanti rinnovabili
"La nostra ricerca non solo migliora la comprensione dei processi fondamentali sulle superfici di carbonio. Stiamo anche sostenendo lo sviluppo di processi innovativi nel campo delle applicazioni ambientali ed energetiche, ad esempio nella cattura del carbonio per ridurre le emissioni di CO2 e per ottimizzare le condizioni di produzione nella fabbricazione di carburanti sintetici", aggiunge Ulrich Pöschl, co-autore e direttore dell'Istituto Max Planck per la Chimica. "I risultati di molti anni di ricerca scientifica di base contribuiscono quindi anche allo sviluppo sostenibile della tecnologia e della società nell'Antropocene".
Il termine Antropocene si riferisce all'attuale era geologica, caratterizzata dalla rapida crescita e dall'influenza globalmente pervasiva dell'uomo sul pianeta, e fa parte del lavoro scientifico e della ricerca dell'Istituto Max Planck per la Chimica fin dalla sua scoperta da parte del premio Nobel Paul Crutzen.
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