Endelig, svaret på et brændende 40 år gammelt spørgsmål

Vi har i årtier vidst, at katalysatorer fremskynder reaktionen, der reducerer skadelige industrielle emissioner. Og nu, vi ved præcis, hvordan de gør det.

Et nyligt papir af Israel Wachs, G. Whitney Snyder professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Lehigh University's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science, beskriver mekanismen, og var den indvendige bagsidehistorie af 2. september, 2019, spørgsmål af Angewandte Chemie , et tidsskrift fra German Chemical Society.

Kraftværker er en vigtig kilde til giftige emissioner forbundet med klimaændringer. Når fossile brændstoffer som kul og naturgas afbrændes, de producerer farlige forurenende stoffer, i særdeleshed, en gruppe af skadelige gasser kaldet nitrogenoxider (eller NO _x ) som bidrager til sur regn, dannelse af ozon i jorden, og drivhusgasser.

"Forbrændingsprocessen for at generere energi kræver meget høje temperaturer, der forårsager molekylært nitrogen (N ₂ ) og oxygen (O ₂ ) til stede i luften for at adskille eller revne, " siger Wachs. "N- og O-atomerne rekombinerer derefter og danner NO _x , som betragtes som det største forureningsproblem i dag, fordi det er meget svært at kontrollere."

Tilbage i 1970'erne, japanerne udviklede en teknologi til at kontrollere NO _x emissioner ved at reagere NEJ _x med ammoniak for at danne harmløst nitrogen (N ₂ ) og vand (H ₂ O).

"Det er en smuk kemisk reaktion, at konvertere noget meget skadeligt til noget meget godartet, " siger Wachs, der leder Lehighs Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab.

NOx-emissioner er nu stærkt reguleret, og en fælles reduktionsstrategi er selektiv katalytisk reduktion (SCR) af nitrogenoxider med ammoniak. Katalysatorer fremskynder både SCR-reaktionen og styrer reaktionsprodukterne (såsom dannelse af N ₂ og H ₂ O), hvilket betyder, at katalysatoren sikrer, at reaktionen ikke producerer uønskede skadelige gasser (derfor "selektiv").

En SCR-katalysator, der i vid udstrækning anvendes af kraftværker, er titandioxid-understøttet vanadiumoxid.

"Katalysatoren består af vanadiumoxid og wolframoxid fordelt på overfladen af ​​en titanoxid (TiO) ₂ ) support. Vanadiumoxidet er den aktive komponent, der udfører den selektive katalytiske reduktion mod N ₂ dannelse og ikke de uønskede reaktionsprodukter, der kan være giftige, " siger Wachs. "Der har været en stor debat i litteraturen i 40 år, lige fra begyndelsen af ​​udviklingen af ​​denne teknologi, omkring spørgsmålet om, hvad der præcist gør wolframoxidkomponenten?"

Forskermiljøet vidste af erfaring, at wolframoxid termisk stabiliserer titanoxidunderstøtningen, hvilket er afgørende, da disse katalysatorer kan tilbringe årevis ved høje temperaturer under drift. De vidste også, at tilsætning af wolframoxid gør vanadiumoxidet meget mere aktivt, hvilket også er vigtigt, da jo mere aktiv en katalysator er, jo mindre af den har du brug for. Men hvorfor havde wolframoxid en sådan effekt på reaktiviteten af ​​vanadiumoxid?

Tre teorier har domineret gennem årene, siger Wachs. En hævdede, at wolframoxid har en sur karakter, der forstærker den kemiske reaktion. Den anden sagde wolframoxid delte på en eller anden måde elektroner med vanadiumoxid, og den tredje anførte, at wolframoxidet ændrede strukturen af ​​vanadiumoxidet.

Wachs og hans samarbejdspartnere brugte et banebrydende instrument kaldet et High Field (HF) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spektrometer i forbindelse med reaktionsundersøgelser til at teste hver teori.

"Der er kun få af disse HF NMR-spektrometre i verden, og deres magnetfelter er så følsomme, at det giver alle de subtile molekylære detaljer om, hvad der foregik i materialet, " han siger.

Disse molekylære detaljer fremstår som signaler, som Wachs og hans team derefter fortolkede ved hjælp af teoretiske beregninger (Density Functional Theory).

"Det viser sig, at mængden af ​​vanadiumoxid er meget lav i katalysatoren, hvilket gør vanadiumoxidet til stede som isolerede arter, eller monomerer, " siger Wachs. "Når du tilføjer wolframoxid, vanadiumoxid ændrer sig fra monomerer til oligomerer eller polymerer, så nu er al vanadiumoxidet forbundet som en kæde eller en ø på titaniumoxidunderstøtningen. Vi udførte uafhængige undersøgelser og fandt, at disse oligomerer af vanadiumoxid er 10 gange mere aktive end i de isolerede vanadiumoxidsteder. Så wolframoxidet ændrer virkelig strukturen af ​​vanadiumoxid, fra en mindre aktiv form til en meget aktiv form."

Denne grundlæggende forståelse af, hvordan katalysatoren virker, vil hjælpe med at guide fremtidige designs af forbedrede SCR-katalysatorer, siger Wachs, som for nylig blev valgt som Fellow af National Academy of Inventors og er blevet anerkendt internationalt for sine innovative bidrag til fundamental katalyse, der er blevet anvendt i fremstillingen af ​​kemikalier og kontrol af luftforurening.

"Nu hvor vi ved, hvad der foregår, det vil ikke være forsøg og fejl med hensyn til at gøre det bedre, da vi har en videnskabelig tilgang til katalysatordesignet."

Og det vil have enorme konsekvenser for industrien og luftforureningskontrol, han siger.

"En mere aktiv katalysator har betydelige fordele. Først og fremmest, disse systemer er enorme, næsten på størrelse med et lille hus, og mange af disse anlæg blev bygget før denne teknologi blev påbudt, så pladsen ved planterne er begrænset. Så hvis du har en mere aktiv katalysator, du har brug for et mindre fodaftryk. De er også dyre, så hvis katalysatoren er mere aktiv, du behøver ikke så meget. Og endelig, da vi også tror, ​​de holder længere, det vil begrænse den tid, et anlæg skal lukke ned for at installere en ny katalysator."

Men for Wachs, effekten på folkesundheden er det mest meningsfulde – og glædelige – resultat.

"Let, 40, 000 til 50, 000 mennesker i USA dør årligt på grund af komplikationer fra dårlig luftkvalitet. Så katalyse, og forskningen omkring det, har en enorm samfundsmæssig indflydelse. Det er meget tilfredsstillende, når man er i stand til at løse et problem, der har eksisteret i 40 år, som vil forbedre teknologien, og løse disse sundhedsproblemer."