Dos filtros de partículas de fuligem aos combustíveis renováveis

O carbono é decomposto pelo dióxido de azoto e pelo oxigénio

Os investigadores do Instituto Max Planck de Química podem agora explicar melhor o que acontece durante a oxidação das nanopartículas de carbono no filtro de partículas de fuligem. Investigaram o que acontece às minúsculas partículas de fuligem em condições típicas dos gases de escape dos motores diesel. A temperaturas de cerca de 270 - 450° Celsius, o carbono encontra os gases reactivos dióxido de azoto (NO2) e oxigénio (O2). Estes gases oxidam o carbono e decompõem-no. Resultado: quanto mais alta a temperatura, mais rapidamente a massa de carbono desaparece. Em seguida, introduziram os dados experimentais no chamado modelo cinético multicamadas (KM-GAP-CARBON).

A modelação mostra o que acontece quimicamente: A temperaturas mais baixas, a decomposição do carbono é determinada pelo dióxido de azoto, enquanto a temperaturas mais elevadas é determinada pelo oxigénio. Ao mesmo tempo que a via de reação dominante se altera, a energia de ativação que deve ser aplicada para que uma reação química tenha lugar também se altera.

O modelo químico tem origem na investigação do aerossol atmosférico

"O nosso modelo foi originalmente desenvolvido para descrever a química dos aerossóis e das partículas na atmosfera. No entanto, também funciona muito bem para aplicações técnicas de alta temperatura", diz Thomas Berkemeier, autor principal do estudo e líder do grupo de investigação do Instituto Max Planck em Mainz. "O nosso modelo ajuda-nos a compreender por que razão a via da reação química é influenciada pela temperatura. Também explica uma segunda peculiaridade: nas medições, observamos que a taxa de reação é mais elevada no início e no fim da reação".

De acordo com o estudo recentemente publicado na revista Angewandte Chemie, os átomos de carbono mais reactivos são primeiro oxidados e volatilizados na superfície das partículas de carbono, o que leva a que menos átomos reactivos se acumulem na superfície. Isto conduz inicialmente a uma espécie de passivação das partículas e a oxidação abranda. "No final da reação, o rácio entre a superfície das partículas e o seu volume é particularmente elevado, razão pela qual a taxa de reação normalizada em função do volume volta a aumentar de forma acentuada", explica Berkemeier, que também gostaria de analisar no futuro a estrutura exacta das partículas através de métodos microscópicos e espectroscópicos. O químico e a sua equipa estão também a planear outros estudos cinéticos de reação para investigar os efeitos de outros agentes e condições oxidantes.

A investigação fundamental contribui para o desenvolvimento de combustíveis renováveis

"A nossa investigação não só melhora a nossa compreensão dos processos fundamentais nas superfícies de carbono. Estamos também a apoiar o desenvolvimento de processos inovadores no domínio das aplicações ambientais e energéticas, por exemplo, na captura de carbono para reduzir as emissões de CO2 e para otimizar as condições de produção no fabrico de combustíveis sintéticos", acrescenta Ulrich Pöschl, coautor e Diretor do Instituto Max Planck de Química. "Os resultados de muitos anos de investigação científica fundamental contribuem assim também para o desenvolvimento sustentável da tecnologia e da sociedade no Antropoceno".

O termo Antropoceno refere-se à atual era geológica, caracterizada pela influência crescente e globalmente generalizada dos seres humanos no planeta, e tem feito parte do trabalho científico e de investigação do Instituto Max Planck de Química desde a sua descoberta pelo Prémio Nobel Paul Crutzen.