Motori diesel più green? Così i catalizzatori aiutano a inquinare meno

L’inquinamento atmosferico è un problema urgente e complesso, in cui un ruolo di primo piano è giocato dagli ossidi di azoto (NOx). Queste sostanze, prodotte dalla combustione di carburanti fossili, contribuiscono alla formazione dello smog fotochimico, una forma di inquinamento dovuta a complesse reazioni chimiche tra molecole gassose, innescate dalla luce del sole. Quando questi inquinanti si combinano con il vapore acqueo atmosferico, possono dare origine alle piogge acide che hanno effetti dannosi per la salute e l’ambiente.

Una delle principali fonti di NOx sono i motori diesel, i quali, sebbene l’elettrificazione stia accelerando, restano cruciali per il trasporto merci, e quindi ancora molto diffusi. Per questo il Dipartimento di Chimica dell’Università di Torino è alla ricerca di nuove strategie per ridurre la produzione di NOx durante la combustione.

Una soluzione efficace è l’uso dei catalizzatori, sostanze che aiutano le reazioni chimiche a svolgersi più facilmente o in maniera più rapida, senza consumarsi nel processo. I catalizzatori possono essere usati, per esempio, per trasformare composti inquinanti in sostanze non pericolose.

Tra le tecniche più promettenti c’è la cosiddetta Riduzione Catalitica Selettiva con Ammoniaca, che utilizza catalizzatori a base di rame (Cu) e di un minerale chiamato zeolite, in grado di trasformare gli NOx in molecole innocue come azoto e acqua. Tale tecnologia è già in uso su gran parte dei veicoli diesel, e sarebbe già una soluzione ottimale se non fosse per un problema: durante la combustione la piccolissima quantità di zolfo presente nel carburante forma ossidi di zolfo, che nel tempo compromettono l’efficacia dei catalizzatori. 

Per risolvere questi problemi è nato CHASS (Cu-CHA zeolite-based catalysts for the selective catalytic reduction of NOx in exhaust diesel gas: addressing the issue of Sulfur Stability), un progetto di ricerca finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del programma Marie Skłodowska-Curie, in cui miriamo a sviluppare modelli e strategie innovative per migliorare la durata e l’efficienza dei catalizzatori Cu-zeolite.

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Il progetto combina calcoli quantomeccanici, tecniche sperimentali e modellizzazione cinetica per studiare la degradazione dei catalizzatori e allungarne la vita. I calcoli servono a descrivere la struttura, le proprietà e i meccanismi con cui reagiscono le specie coinvolte. Tali informazioni vengono validate da misure di laboratorio, e i dati ottenuti ci aiutano a creare un modello cinetico che permette di trovare catalizzatori più resistenti e i parametri che ne influenzano l'efficienza.
Per far ciò l’Università di Torino collabora con la Chalmers University of Technology in Svezia e due divisioni della multinazionale Umicore, in Germania e Danimarca.

Ma non è tutto: con CHASS vogliamo studiare anche un altro fenomeno che interessa i catalizzatori Cu-zeolite quando applicati ai motori a idrogeno: l’invecchiamento idrotermale.

I motori a idrogeno, infatti, rappresentano una delle soluzioni più promettenti per il futuro della mobilità sostenibile: utilizzano idrogeno come combustibile e, al posto della CO₂, emettono semplicemente vapore acqueo. Tuttavia, non sono del tutto privi di impatti ambientali perché possono comunque generare NOx.

In questo caso, gli NOx non derivano dal combustibile, ma dall’azoto presente nell’aria stessa. Durante la combustione a temperature molto elevate, l’azoto atmosferico può reagire con l’ossigeno e formare questo tipo di sostanze.

Anche in questo caso una possibile soluzione per abbattere gli NOx sarebbe quella di utilizzare i catalizzatori Cu-zeolite, che però vengono danneggiati dal vapore acqueo prodotto in grande quantità dalla combustione dell’idrogeno. Alle alte temperature raggiunte durante il funzionamento del motore, il vapore acqueo altera la struttura della zeolite causando la perdita di alcuni elementi chimici essenziali per la sua funzione, come l’alluminio, e compromettendo l’efficacia del catalizzatore. 

Migliorare la durata dei catalizzatori Cu-zeolite ridurrà le emissioni di NOx, con benefici per la qualità dell’aria e la salute pubblica. Inoltre, le conoscenze acquisite potranno essere applicate a nuovi sistemi di propulsione, fondamentali per la mobilità sostenibile futura.

In prospettiva, CHASS potrà guidare lo sviluppo di catalizzatori più efficienti e resistenti, e modelli per ottimizzare i parametri del sistema di trattamento dei gas di scarico, prolungando la vita dei sistemi di abbattimento delle emissioni e contribuendo a respirare un’aria più pulita.
La chimica dei catalizzatori si conferma così un’alleata preziosa nella transizione verso un futuro sostenibile.