Milieubehoud en toekomstige duurzaamheid vereisen innovatie van chemische ingenieurs, van aanpassingen aan de microscopische structuur van materialen tot het veranderen van de manier waarop grootschalige industriële productie wordt gedaan. Een dringende uitdaging is hoe de milieuvervuilende stikstofoxiden (NOx) die worden uitgestoten door automotoren en -industrieën, kunnen worden verminderd.

Een team onder leiding van Chao Wang, een professor in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Whiting School of Engineering van de Johns Hopkins University, heeft een nieuwe manier ontdekt om de atomaire structuren van actieve sites in materialen die in de industrie algemeen als katalysator worden gebruikt, kwantitatief te karakteriseren - werk dat de basis legt voor het ontwerp van milieuvriendelijkere en duurzamere energiebronnen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Natuur Katalyse .

"Met de kennis die in ons werk is opgedaan, we kunnen betere katalysatoren/materialen ontwerpen om de energie- en chemische conversie-efficiëntie van veel chemische processen te verbeteren, zoals emissiebeheersing en omzetting van aardgas in vloeibare chemische voedingen of brandstoffen, " zei Wang. "Het uiteindelijke doel is de uitstoot van verbrandingsmotoren en uitlaatgassen te verminderen en aardgas op een schonere en groenere manier te gebruiken."

In de studie, het Wang-team werkte met Cu-uitgewisselde zeolieten, die vaak worden gebruikt in industriële processen, en die veelbelovend zijn als economische en efficiënte katalysatoren die vervuilend stikstofmonoxide kunnen afbreken of afbreken. Echter, tot nu, de correlatie tussen de structuur van deze materialen en hoe ze zich gedragen is mysterieus gebleven.

Eerst, de onderzoekers synthetiseerden verschillende Cu-uitgewisselde zeolieten en gebruikten reactieve adsorptie, met behulp van spectroscopie om de atomaire structuur en adsorptie-eigenschappen van de zeolieten te karakteriseren. Vervolgens, ze gebruikten berekeningen van de dichtheidsfunctietheorie (DFT) om een ​​lineaire correlatie tussen adsorptieanalyse en katalytische kinetiek vast te stellen.

"Het geheim van hoogwaardige Cu-uitgewisselde zeolieten in NO-ontleding valt op de subtiele adsorptie en compressie van NO-moleculen die op Cu-dimeren zitten. Het is evolutionair dat dergelijke verschijnselen ooit worden waargenomen, " zei Wang.

In dergelijke Cu-uitgewisselde ZSM-5 microporeuze systemen, zoals onthuld door de Wang-groep, de adsorptie-eigenschap en compressie-energie, welke sleutelparameters zijn en die de katalytische prestatie bij NO-ontleding bepalen, kan worden gemanipuleerd door het aantal dimere plaatsen en de gemiddelde Cu-Cu-afstand in zeolietkatalysatoren.

"We hebben geavanceerde experimentele en computationele technologieën geïntegreerd om eerst de Cu-dimeren te kwantificeren, meet de gemiddelde afstand en voorspel de katalytische prestaties. Dimere katalysatoren zijn ook toepasbaar op andere belangrijke industriële reacties zoals methaanoxidatie. We hopen licht te werpen op het ontwerp en de ontwikkeling van geavanceerde katalytische materialen, " zei Pengfei Xie, een assistent-onderzoeker in het lab van Wang, en de eerste auteur van het papier.

Volgende, Wang is van plan gebruik te maken van ontdekkingen in dit werk om nieuwe technologieën te ontwikkelen voor de efficiënte verwijdering van stikstofoxiden uit uitlaatgassen bij lage temperaturen.

"Dit zou de grote uitdaging van emissies bij koude starts van voertuigen oplossen, " hij legde uit.