Ingeniører løser mysteriet om struktur-egenskabsforhold i emissionskontrolkatalysatorer

Miljøbevarelse og fremtidig bæredygtighed kræver innovation fra kemiingeniører, fra justeringer til den mikroskopiske struktur af materialer til at ændre, hvordan storskala industriel produktion udføres. En presserende udfordring er, hvordan man kan afbøde miljøforurenende nitrogenoxider (NOx), der udsendes fra bilmotorer og industrier.

Et team ledet af Chao Wang, en professor i afdelingen for kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Johns Hopkins University's Whiting School of Engineering, har opdaget en ny måde at kvantitativt karakterisere de atomare strukturer af aktive steder inden for materialer, der i vid udstrækning anvendes i industrien som katalysatorer - arbejde, der lægger grundlaget for design af mere miljøvenlige og bæredygtige energikilder. Deres resultater blev offentliggjort i det seneste nummer af Naturkatalyse .

"Med den viden, der er etableret i vores arbejde, vi kan designe bedre katalysatorer/materialer for at forbedre energi- og kemiske konverteringseffektiviteter af mange kemiske processer, såsom emissionskontrol og omdannelse af naturgas til flydende kemikalier eller brændstoffer, "sagde Wang." Det endelige mål er at reducere emissioner fra forbrændingsmotorer og udstødninger og bruge naturgas på en renere og grønnere måde. "

I undersøgelsen, Wang-teamet arbejdede med Cu-udvekslede zeolitter, som ofte bruges i industrielle processer, og som lover meget som økonomiske og effektive katalysatorer, der kan nedbryde eller nedbryde forurenende nitrogenoxid. Imidlertid, indtil nu, Korrelationen mellem disse materialers struktur og hvordan de opfører sig er forblevet mystisk.

Først, forskerne syntetiserede forskellige Cu-udvekslede zeolitter og udnyttede reaktiv adsorption, ved hjælp af spektroskopi til at karakterisere zeoliternes atomstruktur og adsorptionsegenskaber. Derefter, de brugte tæthedsfunktionsteori (DFT) beregninger til at etablere en lineær sammenhæng mellem adsorptionsanalyse og katalytisk kinetik.

"Hemmeligheden ved højtydende Cu-udvekslede zeolitter ved INGEN nedbrydning falder på den subtile adsorption og komprimering af NO-molekyler, der sidder på Cu-dimerer. Det er evolutionært, at sådanne fænomener nogensinde bliver observeret, "sagde Wang.

I sådanne Cu-udvekslede ZSM-5 mikroporøse systemer, som afsløret af Wang-gruppen, adsorptionsegenskaben og kompressionsenergien, hvilke er nøgleparametre, og som styrer den katalytiske ydeevne ved NO-nedbrydning, kan manipuleres af antallet af dimere steder og den gennemsnitlige Cu-Cu-afstand i zeolitkatalysatorer.

"Vi integrerede banebrydende eksperimentelle og beregningsteknologier til først at kvantificere Cu-dimerer, måle den gennemsnitlige afstand og forudsige den katalytiske ydeevne. Dimiske katalysatorer kan også anvendes til andre vigtige industrielle reaktioner, såsom metanoxidation. Vi håber at kunne kaste lys over design og udvikling af avancerede katalytiske materialer, "sagde Pengfei Xie, en assisterende forsker i Wangs laboratorium, og avisens første forfatter.

Næste, Wang planlægger at udnytte opdagelser i dette arbejde for at udvikle nye teknologier til effektiv fjernelse af nitrogenoxider fra udstødninger ved lave temperaturer.

"Dette ville løse den store udfordring med emissioner ved koldstart af køretøjer, " forklarede han.