We weten al tientallen jaren dat katalysatoren de reactie versnellen die schadelijke industriële emissies vermindert. En nu, we weten precies hoe ze het doen.

Een recent artikel van Israel Wachs, de G. Whitney Snyder hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering aan de P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen, beschrijft het mechanisme, en was het verhaal van de binnenkant van de achteromslag van de 2 september, 2019, probleem van Angewandte Chemie , een tijdschrift van de Duitse Chemische Vereniging.

Energiecentrales zijn een belangrijke bron van giftige emissies in verband met klimaatverandering. Wanneer fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas worden verbrand, ze produceren gevaarlijke verontreinigingen, vooral, een groep schadelijke gassen genaamd stikstofoxiden (of NO _x ) die bijdragen aan zure regen, vorming van ozon op leefniveau, en broeikasgassen.

"Het verbrandingsproces om energie op te wekken vereist zeer hoge temperaturen die moleculaire stikstof (N ₂ ) en zuurstof (O ₂ ) aanwezig in de lucht om te dissociëren of te barsten, " zegt Wachs. "De N- en O-atomen recombineren dan en maken NO _x , dat wordt tegenwoordig beschouwd als het grootste vervuilingsprobleem omdat het erg moeilijk te beheersen is."

In de jaren 70, de Japanners ontwikkelden een technologie om NO . te controleren _x emissies door NO . te reageren _x met ammoniak tot onschadelijke stikstof (N ₂ ) en water (H ₂ O).

"Het is een mooie chemische reactie, iets heel schadelijks omzetten in iets heel goedaardigs, " zegt Waaks, die Lehigh's Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab leidt.

NOx-emissies zijn nu sterk gereguleerd en een gemeenschappelijke bestrijdingsstrategie is de selectieve katalytische reductie (SCR) van stikstofoxiden door ammoniak. Katalysatoren versnellen zowel de SCR-reactie als de reactieproducten regelen (zoals de vorming van N ₂ en H ₂ O), wat betekent dat de katalysator ervoor zorgt dat de reactie geen ongewenste schadelijke gassen produceert (vandaar "selectief").

Een SCR-katalysator die veel wordt gebruikt door energiecentrales is op titanium gebaseerde vanadiumoxide.

"De katalysator bestaat uit vanadiumoxide en wolfraamoxide gedispergeerd op het oppervlak van een titania (TiO ₂ ) steun. Het vanadiumoxide is de actieve component die de selectieve katalytische reductie naar N . uitvoert ₂ vorming en niet de ongewenste reactieproducten die giftig kunnen zijn, ", zegt Wachs. "Er woedt al 40 jaar een groot debat in de literatuur, vanaf het begin van de ontwikkeling van deze technologie, rond de vraag wat de wolfraamoxidecomponent precies doet?"

De onderzoeksgemeenschap wist uit ervaring dat wolfraamoxide de titania-drager thermisch stabiliseert, wat van vitaal belang is omdat deze katalysatoren tijdens bedrijf jaren bij hoge temperaturen kunnen blijven. Ze wisten ook dat het toevoegen van wolfraamoxide het vanadiumoxide veel actiever maakt, wat ook belangrijk is, want hoe actiever een katalysator is, hoe minder je ervan nodig hebt. Maar waarom had wolfraamoxide zo'n effect op de reactiviteit van vanadiumoxide?

Drie theorieën hebben door de jaren heen gedomineerd, zegt Wachs. Men beweerde dat wolfraamoxide een zuur karakter heeft dat de chemische reactie versterkt. De tweede zei dat wolfraamoxide op de een of andere manier elektronen deelde met vanadiumoxide, en de derde verklaarde dat het wolfraamoxide de structuur van het vanadiumoxide veranderde.

Wachs en zijn medewerkers gebruikten een hypermodern instrument, een High Field (HF) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) -spectrometer in combinatie met reactiestudies om elke theorie te testen.

"Er zijn maar een paar van deze HF NMR-spectrometers in de wereld, en hun magnetische velden zijn zo gevoelig dat het alle subtiele moleculaire details geeft van wat er in het materiaal gebeurde, " hij zegt.

Die moleculaire details verschijnen als signalen die Wachs en zijn team vervolgens interpreteerden met behulp van theoretische berekeningen (Density Functional Theory).

"Het blijkt dat de hoeveelheid vanadiumoxide in de katalysator erg laag is, waardoor het vanadiumoxide aanwezig is als geïsoleerde soorten, of monomeren, " zegt Wachs. "Als je het wolfraamoxide toevoegt, vanadiumoxide verandert van monomeren in oligomeren of polymeren, dus nu is al het vanadiumoxide verbonden als een ketting of een eiland op de titania-steun. We voerden onafhankelijke onderzoeken uit en ontdekten dat deze oligomeren van vanadiumoxide 10 keer actiever zijn dan in de geïsoleerde vanadiumoxideplaatsen. Dus het wolfraamoxide verandert echt de structuur van vanadiumoxide, van een minder actieve vorm naar een zeer actieve vorm."

Dit fundamentele begrip van hoe de katalysator werkt, zal helpen bij toekomstige ontwerpen van verbeterde SCR-katalysatoren, zegt Waks, die onlangs werd verkozen tot Fellow van de National Academy of Inventors en internationaal wordt erkend voor zijn innovatieve bijdragen aan fundamentele katalyse die zijn toegepast bij de productie van chemicaliën en de beheersing van luchtvervuiling.

"Nu we weten wat er aan de hand is, het zal geen vallen en opstaan ​​​​om het beter te maken, aangezien we een wetenschappelijke benadering van het katalysatorontwerp volgen."

En dat zal enorme gevolgen hebben voor de industrie en de bestrijding van luchtverontreiniging, hij zegt.

"Een actievere katalysator heeft aanzienlijke voordelen. deze systemen zijn enorm, bijna zo groot als een klein huis, en veel van deze fabrieken werden gebouwd voordat deze technologie verplicht was, dus de ruimte bij de planten is beperkt. Dus als je een actievere katalysator hebt, je hebt een kleinere footprint nodig. Ze zijn ook duur, dus als de katalysator actiever is, je hebt niet zoveel nodig. En tenslotte, omdat we ook denken dat ze langer meegaan, het zal de tijd beperken die een fabriek heeft om stil te staan ​​om een ​​nieuwe katalysator te installeren."

Maar voor Wachs, het effect op de volksgezondheid is het meest betekenisvolle en bevredigende resultaat.

"Gemakkelijk, 40, 000 tot 50, Jaarlijks sterven in de Verenigde Staten duizend mensen als gevolg van complicaties door een slechte luchtkwaliteit. Dus katalyse, en het onderzoek eromheen, heeft een enorme maatschappelijke impact. Het geeft veel voldoening als je een probleem kunt oplossen dat al 40 jaar bestaat, dat zal de technologie verbeteren, en deze gezondheidsproblemen aan te pakken."