En la actualidad, la lucha contra la contaminación atmosférica y la minimización del impacto ambiental de cualquier actividad industrial es una preocupación seria de índole internacional que cada vez está cobrando más importancia en la sociedad. Por ello hay muchas investigaciones científicas centradas en solucionar, o al menos paliar, algunos de los problemas ambientales más graves a los que nos enfrentamos. En este sentido, la ciencia de materiales no solo no es una excepción, sino que en algunos casos es una disciplinar fundamental a la hora de abordar algunos de los problemas ambientales más acuciantes.
En esta sección vamos a describir un ejemplo de especial relevancia en el control de la emisión de gases contaminantes que ha sido solucionado en gran parte gracias a los avances en ciencia e ingeniería de materiales, que han permitido diseñar un dispositivo formado por la combinación precisa de muchos materiales pertenecientes a varias familias y que, en conjunto, logran desarrollar una función muy específica. Nos estamos refiriendo al convertidor catalítico que llevan incorporados en el tubo de escape todos los vehículos de motor y que es obligatorio desde la década de 1990. Se trata de un dispositivo que sirve para controlar la emisión de gases nocivos provenientes de la actividad de los motores de combustión. Se usa tanto en los motores de gasolina como en los diésel y, como veremos, su desarrollo supuso todo un desafío en el campo de la catálisis por la variedad y complejidad de reacciones químicas que están involucradas en el control de estos gases.
Antes de entrar en el ejemplo particular del convertidor catalítico de los coches y especificar las reacciones químicas que tienen lugar, vamos a recordar que la catálisis consiste en la modificación de la velocidad de una reacción química por una determinada sustancia denominada catalizador. Más propiamente, un catalizador aumenta la velocidad de la reacción, mientras que una sustancia que la reduzca se denomina inhibidor. En cualquier caso, los catalizadores no intervienen directamente en la reacción química que catalizan, por lo que, idealmente, su masa no varía en el transcurso de la misma.
Hay que destacar que la catálisis afecta a la cinética de la reacción, pero no a su termodinámica. En concreto, un catalizador modifica la energía de activación de la reacción, como se muestra en la figura 8.19. No obstante, para que un catalizador actúe se tiene que cumplir que la reacción en cuestión esté favorecida termodinámicamente, o, en otras palabras, que la energía de Gibbs de los productos sea menor que la de los reactivos. Esa condición termodinámica determina si una reacción es espontánea o no, pero no da información sobre la cinética de la reacción, es decir, el tiempo que se requiere para que se complete. Existen reacciones químicas que son termodinámicamente favorables o espontáneas pero que no se llevan a cabo porque el tiempo requerido para completar la transformación es demasiado grande en comparación con las escalas temporales que manejamos. Hay ciertos factores como la temperatura o la presión que pueden modificar la cinética de una reacción, pero no se habla de catálisis en ese caso.
Por otro lado, se suele distinguir entre catálisis homogénea (cuando el catalizador está en el mismo estado de agregación que los reactivos y los productos) o catálisis heterogénea (cuando el catalizador está en un estado distinto; por ejemplo, si se trata de un sólido que interviene en una reacción entre líquidos o gases). En la parte derecha de la figura 8.19 se ilustran ambos tipos de catálisis.
En el caso de la catálisis homogénea encontramos que muchos compuestos de coordinación organometálicos catalizan algunas reacciones de interés, como el catalizador de Wilkinson usado en la hidrogenación de alquenos o los catalizadores de Ziegler-Natta que también actúan sobre alquenos, permitiendo su polimerización estereoespecífica. Ambos actúan en disolución y son de mucha importancia a nivel industrial.
Por otro lado, los catalizadores heterogéneos a menudo son metales u otros compuestos inorgánicos como las zeolitas (apartado 4.9). En el caso de la catálisis heterogénea, la superficie específica del material (la superficie expuesta por unidad de masa o volumen) es una variable de especial relevancia para evaluar la actividad catalítica de una sustancia, ya que es en esa superficie donde se produce físicamente la reacción química. Ejemplos típicos de catálisis heterogénea serían la síntesis del amoniaco partiendo de sus elementos constituyentes por el proceso Haber-Bosch, la producción de hidrocarburos a partir de gas de síntesis mediante el proceso Fischer-Tropsch o el control de gases en un convertidor catalítico de un vehículo, como el que vamos a ver a continuación. En estos tres casos el catalizador, o más bien su fase activa, es un metal o combinación de ellos finamente divididos y dispersados sobre un soporte de naturaleza cerámica.
Hay que tener en cuenta que la catálisis, y especialmente la heterogénea, es un fenómeno del que se tiene muy poco control y en el que es muy complicado obtener modelos teóricos que predigan los comportamientos de los distintos materiales frente a la catálisis de una determinada reacción, por lo que normalmente se trabaja ensayando distintos materiales o combinaciones de ellos hasta encontrar alguno con un rendimiento significativo.
Una vez introducidos los conceptos básicos de la catálisis podemos discutir con algo más de detalle cómo funciona un convertidor catalítico y de qué materiales está formado. Como son varios y de distinta naturaleza, por eso lo hemos incluido en este capítulo dedicado a los materiales compuestos. Todos los elementos son necesarios para desarrollar esta función. En la figura 8.20 mostramos cómo son las distintas partes de un convertidor catalítico convencional. Montado ya en el coche se ve simplemente como un ensanchamiento del tubo de escape que queda oculto, pero si observamos su interior comprobaremos que se trata de una estructura compleja.
La parte central está formada por una retícula hecha principalmente de un material cerámico sintético llamado cordierita, un ciclosilicato constituido por óxidos de varios metales (Mg, Fe, Si, Al). Tiene la ventaja de que presenta un alto punto de fusión de 1300 oC, es relativamente fácil de procesar, presenta buenas propiedades mecánicas incluso a alta temperatura y resulta especialmente resistente al choque térmico, algo fundamental en esta aplicación. En los catalizadores modernos este material se produce de manera que contiene muchos canales de sección cuadrada (típicamente 62 canales por cm2). Aunque esta es la elección mayoritaria, también existen soportes monolíticos de materiales metálicos a los que se les agrega un recubrimiento especial para mejorar sus propiedades finales. Antiguamente era frecuente el uso de unos lechos cerámicos en lugar de una única pieza monolítica. La idea es que los gases de la combustión atraviesen estos canales donde tendrán lugar las reacciones químicas catalizadas para eliminar los componentes nocivos, pero hay que tener en cuenta que esta cerámica no es la parte activa del catalizador, sino un mero soporte.
Como habíamos indicado antes, la efectividad de un catalizador está fuertemente influenciada por el área disponible del material en estado sólido donde se da la interacción con los reactivos, que en este caso están en estado gaseoso. La superficie expuesta del soporte monolítico por sí misma es todavía insuficiente para garantizar un buen funcionamiento. Para mejorar este aspecto, lo que se hace es que los canales se recubren por dentro de una capa de óxidos porosos (alúmina, sílice y dióxido de titanio) que aumenta la superficie expuesta hasta en un factor de 10000. En la figura 8.20 vemos una imagen aumentada de los canales del convertidor recubiertos de esta capa adicional de óxidos. Además de estos óxidos, algunas veces se añade también una pequeña cantidad de óxido de cerio o de zirconio que actúan como almacén del oxígeno que será necesario como reactivo adicional en algunas de las reacciones involucradas en el proceso de eliminación de sustancias tóxicas.
En ese fino recubrimiento de óxidos es donde están dispersadas pequeñas cantidades de metales preciosos que son realmente los responsables de la catálisis. Estos metales son una mezcla de metales del grupo del platino; normalmente, platino junto con otros metales como paladio o rodio, que son muy caros pero que se usan en cantidades mínimas. Algunas veces se añaden también pequeñas cantidades de cerio, hierro o manganeso, pero fundamentalmente la catálisis se produce por el trío platino/paladio/rodio.
Ahora bien, ¿qué reacciones son las que se ven afectadas por la presencia de este catalizador? Son tres grandes grupos de reacciones las que se pretenden conseguir antes de que los gases procedentes de la combustión de la gasolina sean expulsados a la atmósfera. Por un lado, tenemos la oxidación del monóxido de carbono a dióxido de carbono, ya que el primero es un gas especialmente tóxico y es el resultado de una combustión mala o incompleta de los hidrocarburos de la gasolina. En segundo lugar la oxidación de los hidrocarburos que no han reaccionado en la combustión del motor y que hay que transformarlos en dióxido de carbono y agua. Y en tercer lugar la reducción de los distintos óxidos de nitrógeno, denotados genéricamente por NOx, que deben transformarse en nitrógeno molecular, dióxido de carbono y agua.
De las características de estas reacciones químicas podemos sacar varias conclusiones interesantes. Por un lado, partimos de sustancias extremadamente nocivas (monóxido de carbono, hidrocarburos gaseosos y óxidos de nitrógeno) para obtener finalmente sustancias menos perjudiciales o inertes (dióxido de carbono, agua y nitrógeno molecular) evitando así la emisión de las primeras. Antiguamente se hablaba de catalizadores de dos vías ya que las reacciones de reducción de los óxidos de nitrógeno se abordaron más recientemente debido a la dificultad de encontrar un catalizador efectivo para todas las reacciones. Y en segunda instancia debemos percatarnos de la complejidad del proceso, ya que están involucradas simultáneamente reacciones de oxidación (monóxido de carbono e hidrocarburos) y de reducción (óxidos de nitrógeno). De ahí que se tenga que usar una combinación de metales tan singular para poder catalizar los tres grupos de reacciones independientemente.
Aunque idealmente el catalizador no interviene directamente en las reacciones químicas que hemos detallado, sí que se deteriora con el tiempo y no puede usarse indefinidamente. La capa de óxido que recubre los canales del soporte se va alterando y perdiendo por la acción continuada de la corriente de gases y puede haber partículas que obstruyan los canales y acaben por inutilizar al catalizador. Asimismo, además de estos inconvenientes de naturaleza física puede haber sustancias químicas que afecten al comportamiento del catalizador provocando su desactivación. En este contexto se dice que el catalizador se envenena, y en el caso del convertidor catalítico el plomo es uno de los principales agentes de envenenamiento. De hecho, la implantación del convertidor catalítico fue la principal causa de que se dejaran de usar los combustibles con plomo (concretamente tetraetilo de plomo, que se usaba como aditivo antidetonante para la combustión), ya que imposibilitaban el uso de catalizadores para controlar las emisiones.
[1] M. Votsmeier et al. Automobile Exhaust Control. En: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley (2019). https://doi.org/10.1002/14356007.a03_189.pub3.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
