Las partículas de carbono están presentes en muchos aspectos de nuestra vida diaria. El hollín, que consiste en pequeñas partículas de carbono, se produce cuando fuentes de energía como el petróleo o la madera no se queman por completo. Los filtros de partículas de hollín, a su vez, eliminan partículas de tamaño nanométrico a micrométrico de los gases de escape de los automóviles mediante reacciones químicas en la superficie. Las partículas de carbono también se pueden utilizar en la industria, ya que a temperaturas superiores a 1.000 grados centígrados el carbono se puede convertir en dióxido de carbono (CO).2) y agua en precursores de combustibles sintéticos. En ambas aplicaciones, las reacciones químicas que ocurren en la superficie del carbono son esenciales, aunque no se comprenden completamente las condiciones bajo las cuales dominan vías de reacción específicas.
Las partículas de carbono son más pequeñas que el dióxido de nitrógeno y el oxígeno.
Los científicos del Instituto Max Planck de Química (MPIC) ahora pueden explicar mejor lo que sucede durante la oxidación de las nanopartículas de carbono en los filtros de partículas. Examinaron lo que les sucede a las pequeñas partículas de hollín en condiciones típicas de los gases de escape de los vehículos con motores diésel. A temperaturas de aproximadamente 270 a 450 °C, el carbono reacciona con los gases reactivos dióxido de nitrógeno (NO).2) y oxígeno (O2). Los gases oxidan el carbono y así lo descomponen. Conclusión: cuanto mayor es la temperatura, más rápido se pierde la masa de carbono. Posteriormente, los investigadores introdujeron los datos experimentales en un modelo dinámico multicapa conocido como KM-GAP-CARBON.
Los modelos muestran lo que sucede químicamente: a bajas temperaturas, la descomposición del carbono está dominada por el dióxido de nitrógeno, mientras que a altas temperaturas está dominada por el oxígeno. Este cambio en las vías de reacción dominantes está marcado por un cambio gradual en la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción química.
El modelo químico deriva de la investigación de aerosoles atmosféricos.
“Nuestro modelo fue diseñado originalmente para describir la química de las partículas finas de polvo en la atmósfera, pero descubrimos que es adecuado para aplicaciones técnicas de alta temperatura”, afirma el autor principal del estudio y líder del grupo de investigación Thomas Burkemeier. para Ley también.” En MPIC, “Nuestro modelo nos ayuda a comprender por qué la temperatura afecta la trayectoria de una reacción química. También explica otra propiedad: en las mediciones, vemos que la velocidad de la reacción inicialmente y la reacción mayor ocurren al final del proceso. “.
Según una investigación publicada recientemente en la revista Química aplicada, Los átomos de carbono más reactivos en la superficie de las partículas de carbono se oxidan y gasifican primero, lo que hace que los átomos menos reactivos se acumulen en la superficie. Esto conduce inicialmente a la inactivación de las partículas y el proceso de oxidación se ralentiza. “Hacia el final de la reacción, la relación entre la superficie de las partículas y su volumen es especialmente grande, por lo que la velocidad de reacción aumenta exponencialmente con el volumen”, explica Berkemeyer, que tiene como objetivo comprobar la composición exacta. . partículas en el futuro utilizando técnicas tanto microscópicas como espectroscópicas. Además, el químico y su equipo están planeando más estudios sobre la cinética de reacción para explorar los efectos de diferentes oxidantes y condiciones.
La investigación básica contribuye al desarrollo de combustibles renovables.
Ulrich Pöschl, coautor y director del Instituto Max Planck de Química, comentó: “Nuestra investigación no sólo amplía la comprensión de los procesos fundamentales en las nanosuperficies de carbono, sino que también abre nuevas vías para la innovación tecnológica en los campos medioambiental y energético”. Por ejemplo, a través de avances en las tecnologías de captura de carbono y en el desarrollo de productos sintéticos para mejorar las condiciones de producción, los resultados de décadas de investigación científica básica también contribuyen al desarrollo sostenible de la tecnología y la sociedad en el Antropoceno”.
El término Antropoceno se refiere a la época geológica actual, caracterizada por una influencia humana global y en rápida expansión sobre el planeta, y ha sido acuñado desde su descubrimiento por el premio Nobel Paul en el Instituto Max Planck de Química. investigación. Kurtzen.
