Identificeret:Molekylær struktur, der nedbryder en vigtig komponent i smog

Kvælstofoxider, også kendt som NO _x , dannes, når fossile brændstoffer brænder ved høje temperaturer. Når de udsendes fra industrielle kilder, såsom kulkraftværker, disse forurenende stoffer reagerer med andre forbindelser for at producere skadelig smog. For at afbøde disse NO _x emissioner, ingeniører udviklede en proces kaldet selektiv katalytisk reduktion (SCR), hvor NO _x passerer gennem en konverter, eller luftskrubber, der omdanner det farlige kemikalie til harmløs nitrogengas.

Selvom SCR ikke er nyt, den underliggende kemi af metaloxiderne, der blev brugt i processen, forblev ukendt - indtil nu. Et forskerhold ledet af PNNL -kemiker Jian Zhi Hu, sammen med samarbejdspartnere fra flere universiteter, har afgørende beskrevet, hvordan metaloxiderne er arrangeret.

"Hvordan en reaktion fungerer, har konsekvenser, når vi forsøger at designe endnu bedre materialer, "sagde Nicholas Jaegers, den første forfatter til papir og doktorand ved Washington State University. "Hvis vi kan identificere en tendens til, hvad der virker specifikt på molekylært niveau, så kan vi muligvis ændre systemet for at få flere af de effekter, vi ønsker, eller anvende det på andre reaktioner med de samme aktivitetskrav. "Jaegers er studerende i laboratoriet hos professor Yong Wang, seniorforsker, der leder forskningen.

Bruddet

Som i mange giftige forhold, nitrogen og ilt - de to ellers godartede elementer, der udgør NO _x - er farlige sammen, og, engang bundet, svært at skille ad. Den rigtige katalysator letter bruddet, og under de rigtige betingelser, hjælper atomerne med at adskille sig endnu hurtigere.

SCR -enhederne er designet til at nedbryde NO _x i kraftværker eller andre stationære forbrændingsanlæg er lavet af et titaniumoxidunderstøtningsgitter med vanadiumoxid og wolframoxid siddende ovenpå. INGEN _x vil ikke splitte uden en katalysator såsom vanadiumoxid, men opdelingen er hurtigere og mere fuldstændig, når wolframoxid tilsættes.

Forskere spekulerede på, at wolframs rolle var strukturel og ikke en direkte del af det aktive sted i reaktionen, men de kunne ikke være sikre uden at vide, hvad der skete på molekylært niveau.

Indtil nu, grænserne for måling af molekylære strukturer forhindrede forståelse af, hvordan reaktionen fungerede. Mange teknikker kan registrere tilstedeværelsen af ​​visse elementer, deres koncentrationer, og deres kemiske tilstande. Disse metoder, imidlertid, enten nedbryde eksperimentelle prøver eller mangle præcision til at gøre en endelig påstand om, hvorvidt et molekyle eksisterer alene eller inden for en kobling eller en gruppe. Holdet overvandt disse begrænsninger med en kombination af højhastigheds-magisk vinkel, der spinder nuklear magnetisk resonans (MAS NMR), reaktivitetstest, og beregningsmodellering for at gøre deres opdagelse.

"For at finde dette bevis, MAS NMR er absolut nødvendigt, "sagde Karl Mueller, chef for videnskab og teknologi ved direktoratet for fysisk og computervidenskab på PNNL. Instrumentet, finansieret af Department of Energy's Basic Energy Sciences, tillod forskerne at træffe afgørende konklusioner om de molekylære strukturer, der er ansvarlige for den katalytiske reaktion.

Søger efter et signal

MAS NMR virker ved at spinde en prøve i et stærkt magnetfelt i en bestemt vinkel og skyde radiobølger igennem den for at ophidse og detektere resonansfrekvenserne af atomspin forbundet med atomer. Fordi hvert atom har en anden frekvens, bølgerne giver kun energi til de målrettede elementer. Hvert atom sender et svar, der afslører dets placering og hvad der er omkring det. Baseret på dette svar - og hvor detaljeret det er - kan forskere forstå et materiales struktur.

MAS NMR er særlig følsom over for de strukturelle ændringer i vanadiumholdige materialer, men teamet vidste ikke, hvilke svar de kunne forvente af forskellige arrangementer af vanadiumoxid. I tæt samarbejde med David Dixons team fra University of Alabama, de modellerede outputrespons for forskellige vanadiumarrangementer, matchede derefter de modellerede resultater med MAS NMR -resultaterne. Denne sammenligning tillod forskerne at identificere overfladestrukturer.

Teamet fandt ud af, at ubundne enkelt vanadiumoxider, også kendt som monomerer, var relativt langsomme til at tillade NEJ _x reaktion for at fortsætte. Imidlertid, pairs or clusters of vanadium oxides—close together on the titanium support—dramatically increased the reaction efficiency. This was precisely determined by Professor Israel Wachs' group from Lehigh University.

The team also learned the tungsten was necessary not for its reactive properties, but because it encouraged the vanadium oxides to arrange into the reactive clusters. Unlike isolated vanadium oxide monomers, vanadium clusters work better because they provide several active sites working together to make the reaction go faster. The study shows that the reaction needs two sites closer together to work.

Med strukturen i hånden, the next step is to understand why the tungsten-promoted reaction is more stable. Til det formål, the team is now studying how the reaction could be different in an aged versus fresh SCR unit and, blandt andet, how water might affect the reaction. I tide, these findings may influence how SCR units are made.

Results of the study appear in the journal Angewandte Chemie .