Onderzoekers hebben een nieuw reactiemechanisme ontdekt dat kan worden gebruikt om katalysatorontwerpen voor systemen voor verontreinigingsbeheersing te verbeteren om de uitstoot van smog-veroorzakende stikstofoxiden in dieseluitlaatgassen verder te verminderen.

Het onderzoek richt zich op een type katalysator genaamd zeolieten, werkpaarden in aardolie- en chemische raffinaderijen en in emissiebeheersingssystemen voor dieselmotoren.

Nieuwe katalysatorontwerpen zijn nodig om de uitstoot van stikstofoxiden te verminderen, of NOx, omdat de huidige technologieën alleen goed werken bij relatief hoge temperaturen.

"De belangrijkste uitdaging bij het verminderen van emissies is dat ze kunnen optreden onder een zeer breed scala van bedrijfsomstandigheden, en vooral uitlaattemperaturen, " zei Rajamani Gounder, de Larry en Virginia Faith-assistent-professor chemische technologie aan de Davidson School of Chemical Engineering van de Purdue University. "Misschien heeft de grootste uitdaging te maken met het verminderen van NOx bij lage uitlaattemperaturen, bijvoorbeeld tijdens een koude start of in een drukke stad."

Echter, naast deze "voorbijgaande" omstandigheden, toekomstige voertuigen zullen natuurlijk altijd bij lagere temperaturen werken omdat ze efficiënter zullen zijn.

"Dus we hebben katalysatoren nodig die niet alleen beter presteren tijdens tijdelijke omstandigheden, maar ook tijdens aanhoudend lagere uitlaattemperaturen, ' zei Gounder.

Hij leidde een team van onderzoekers die een essentiële eigenschap van de katalysator hebben ontdekt om stikstofoxiden om te zetten. De bevindingen worden online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op donderdag (17 aug.) en zal verschijnen in een latere gedrukte uitgave van het tijdschrift.

"De resultaten hier wijzen op een voorheen niet-herkend katalytisch mechanisme en wijzen ook op nieuwe richtingen voor het ontdekken van betere katalysatoren, " zei William Schneider, de H. Clifford en Evelyn A. Brosey Professor of Engineering aan de Universiteit van Notre Dame. "Dit is een reactie van groot milieubelang die wordt gebruikt om uitlaatgassen op te ruimen."

Het werk werd uitgevoerd door onderzoekers van Purdue, Notre Dame en Cummins Inc., een fabrikant van dieselmotoren.

"Cummins steunt al 14 jaar Purdue chemisch technologisch onderzoek met betrekking tot de vermindering van motoremissies, " zei Aleksey Yezerets, directeur van Catalyst Technology bij Cummins. "Deze publicatie is een voorbeeld van de vele inzichten in deze complexe processen waar we door de jaren heen samen aan hebben gewerkt."

Zeolieten hebben een kristallijne structuur met kleine poriën met een diameter van ongeveer 1 nanometer die zijn gevuld met "actieve plaatsen" van koperatomen waar de chemie plaatsvindt. In de nieuwe bevindingen de onderzoekers ontdekten dat ammoniak die in de uitlaat werd geïntroduceerd deze koperionen "solvateert", zodat ze in de poriën kunnen migreren, elkaar vinden, en voer een katalytische stap uit die anders niet mogelijk is.

Deze koper-ammoniakcomplexen versnellen een kritische bindingsverbrekende reactie van zuurstofmoleculen, waarvoor momenteel een uitlaattemperatuur van ongeveer 200 graden Celsius nodig is om effectief te kunnen optreden. Onderzoekers proberen deze temperatuur te verlagen tot ongeveer 150 graden Celsius.

"De reden dat deze hele chemie werkt, is omdat geïsoleerde enkele kopersites samenkomen, en samenwerken om een ​​moeilijke stap in het reactiemechanisme uit te voeren, "Gunder zei. "Het is een dynamisch proces waarbij enkele koperen sites betrokken zijn die elkaar ontmoeten om paren te vormen tijdens de reactie om zuurstofmoleculen te activeren, en ga dan terug naar geïsoleerde plaatsen nadat de reactie is voltooid."

Deze snelheidsbeperkende stap kan worden versneld door de ruimtelijke verdeling van de koperionen te verfijnen, wat leidt tot een lagere uitstoot van stikstofoxide bij lagere temperaturen dan nu mogelijk is.

Om deze ontdekkingen te doen, de onderzoekers hadden technieken nodig die de koperatomen konden "zien" terwijl de katalytische reactie plaatsvond. Geen enkele techniek kan dit bereiken, dus combineerden ze informatie uit onderzoeken met behulp van hoogenergetische röntgenstralen bij een synchrotron in het Argonne National Laboratory, met computationele modellen op moleculair niveau uitgevoerd op supercomputers in het Notre Dame Center for Research Computing en het Environmental Molecular Sciences Laboratory van het Pacific Northwest National Laboratory.

"Zonder twijfel, we hadden deze ontdekkingen niet kunnen doen zonder een divers en nauw geïntegreerd team en toegang tot enkele van de krachtigste laboratorium- en computertools in het land, ’ zei Schneider.

Hoewel het project zich toespitst op toepassingen ter bestrijding van verontreiniging op de weg, het grootste marktaandeel voor zeolietkatalysatoren ligt in aardolieraffinaderijen. De ontdekking heeft implicaties voor "heterogene katalyse, " die veel wordt gebruikt in de industrie.

"De meeste katalytische processen in de industrie gebruiken heterogene technologie, ' zei Gounder.

Het artikel is geschreven door Purdue-afgestudeerde studenten Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio en Jonatan D. Albarracin-Caballero; University of Notre Dame afgestudeerde studenten Christopher Paolucci, Sichi Li en Hui Li; jezerets; Purdue hoogleraar chemische technologie Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Purdue's Maxine Spencer Nichols emeritus hoogleraar chemische technologie; Fabio H. Ribeiro, Purdue's R. Norris en Eleanor Shreve hoogleraar chemische technologie; Schneider; en Gounder.

Het onderzoek is gefinancierd door de National Science Foundation en door Cummins Inc.

"Dit onderzoek maakt deel uit van onze missie als landbeursuniversiteit, Gounder zei. "We werken samen met bedrijven in de staat Indiana, en dit werk was een essentieel onderdeel in de opleiding van veel studenten."