Liberación de nanopartículas al medio ambiente y envejecimiento de convertidores catalíticos de tres vías

Abstract

El catalizador de tres vías (TWC) es un dispositivo utilizado para reducir las emisiones gaseosas tóxicas de los vehículos con motor de gasolina. El TWC está conformado por un monolito cerámico de cordierita recubierto con una capa de nanopartículas (NPs) de Al2O3, CexZr1-xO2 y sobre esta última, otra capa de elementos del grupo de platino (PGEs). Bajo condiciones de funcionamiento estándar, los TWC son sometidos a estrés térmico, mecánico y químico lo que genera la emisión de NPs con PGEs. Sin embargo, aún no se ha abordado el estudio de la emisión de los otros componentes como la capa refractaria de CexZr1-xO2 y el propio monolito. Por lo tanto, en esta tesis se desarrolló una investigación para incluir los componentes mencionados analizando las muestras provenientes de TWCs (uno nuevo y dos usados), polvo de tubo de escape y material particulado. Para tal efecto, las muestras se caracterizaron mediante las técnicas de i) Espectroscopía de Emisión Atómica con Plasma Inducidamente Acoplado (ICP-AES), ii) Espectroscopía Masas con Plasma Inducidamente Acoplado (ICP-MS), iii) Microscopía Raman, iv) Difracción de Rayos X (XRD), v) Espectroscopía de Fotoluminiscencia (PL), vi) Microscopía de Barrido Electrónico acoplado con Energía Dispersiva de Rayos X (SEM-EDS) y vii) Microscopía de Transmisión Electrónica (TEM). Los resultados mostraron el envenenamiento químico relacionado con el tiempo uso, así como la disminución y, en consecuencia, la emisión ambiental de elementos del recubrimiento (Zr, Ba y Hf). También se presenta evidencia de la separación de fases CeO2 - ZrO2 de la solución sólida de CexZr1-xO2, causando la sinterización. Se observó el crecimiento del tamaño de la estructura policristalina de 86.13 ± 16.58 nm a 225.35 ± 69.51 nm. El SEM-EDS reveló la formación de microfracturas y el desprendimiento del recubrimiento del TWC. En conjunto, los fenómenos de degradación de los TWC generaron la emisión de micro y NPs las cuales fueron detectadas en muestras del tubo de escape y del ambiente. Los espectros de excitación y emisión PL indicaron una fuente común con el TWC de las partículas del tubo de escape. Lo anterior coincidió con SEM-EDS, ya que se detectaron partículas con elementos característicos del TWC (PGEs, Ce, Zr). Finalmente, mediante microscopía Raman se descubrieron partículas con compuestos de Zr y Ce en material particulado. La emisión de micro y nanocristales refractarios a la atmósfera representa un problema de salud pública emergente que subraya la importancia de realizar cambios en la legislación ambiental en referencia a fuentes de tráfico.