Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een nieuwe met wolfraam gesubstitueerde vanadiumoxidekatalysator ontwikkeld voor het afbreken van schadelijke stikstofoxiden in industriële uitlaatgassen. Hun nieuwe katalysatormateriaal werkt bij lagere temperaturen en ondervindt geen grote prestatiedalingen bij het verwerken van 'natte' uitlaatgassen, het oplossen van een belangrijk nadeel in conventionele vanadiumoxidekatalysatoren. Ze ontdekten dat de niet-geaggregeerde verspreiding van atomair wolfraam in de oorspronkelijke kristalstructuur een sleutelrol speelt in hoe het functioneert.

Selectieve katalytische reductie (SCR) is een essentiële technologie om de lucht schoon te houden. Industriële uitlaatgassen worden door katalytische eenheden geleid en met een reductiemiddel omgezet om schadelijke stikstofoxiden om te zetten in stikstof en water. Hoge niveaus van stikstofoxiden zijn niet alleen schadelijk voor gewassen en vegetatie, maar kan mensen direct schaden, astma en andere ademhalingsproblemen verergeren. Dit maakt de brede, efficiënte inzet van SCR-technologie die vooral van belang is voor de samenleving.

Maar conventionele SCR-katalysatoren hebben veel problemen die de prestaties en efficiëntie beïnvloeden. Voor vanadiumoxidekatalysatoren die ammoniak als reductiemiddel gebruiken, een grote beperkende factor is de prestatie bij verschillende temperaturen. Conventionele vanadiumoxidekatalysatoren werken het beste bij 200 tot 400 graden Celsius. Bij een cv-ketel dit betekent dat de units dicht bij de verbrandingskamer moeten worden geplaatst, waardoor ze vatbaarder zijn voor schade door as. In eerder werk, een team onder leiding van professor Toru Murayama van de Tokyo Metropolitan University creëerde een nieuwe bulk-vanadiumoxidekatalysator die efficiënt werkt bij 100 tot 150 graden Celsius. Echter, lagere temperaturen leidden tot een ander probleem:waterdamp. Bij lagere temperaturen, industriële uitlaatgassen bevatten doorgaans 10-20% waterdamp per volume. Aangezien vanadiumoxidekatalysatoren een ernstige prestatievermindering hebben als het gas nat is, verdere doorbraken waren nodig om het meeste uit dit nieuwe katalytische materiaal te halen.

Nutsvoorzieningen, hetzelfde team heeft dit probleem opgelost door een nieuwe, wolfraam-gesubstitueerde bulk vanadiumoxide katalysator. Door een deel van het vanadium in de kristallijne structuur van de katalysator te vervangen door wolfraam, ze ontdekten dat het niet langer vatbaar was voor grote prestatiedalingen. Bij 150 graden Celsius, terwijl de vorige bulk-vanadiumoxidekatalysator van het team een ​​daling van de conversieratio van 82 naar 47% ondervond toen het gas nat was, de prestaties van de nieuwe wolfraam-gesubstitueerde katalysator daalden alleen van> 99% conversie naar 94%. Dit maakt het materiaal ideaal voor het verwerken van echte industriële uitlaatgassen.

Echter, meer wolfraam betekende niet noodzakelijk betere prestaties. Het team ontdekte dat de niet-geaggregeerde atomaire dispersie van de juiste hoeveelheid wolfraam van vitaal belang was. Zowel wolfraam als vanadium moeten samenwerken:in natte omstandigheden, het met wolfraam gesubstitueerde materiaal maakte meer locaties beschikbaar voor de productie van ammoniumionen die vervolgens konden reageren met stikstofoxiden in de buurt van naburige vanadiumionen. Het team hoopt dat hun inzichten in het mechanisme en de superieure prestaties van hun katalysator onder realistische omstandigheden in de niet al te verre toekomst zullen leiden tot nieuwe industriële SCR-producten en schonere lucht.