Miljövård och framtida hållbarhet kräver innovation från kemiingenjörer, från justeringar av materials mikroskopiska struktur till att förändra hur storskalig industriell produktion går till. En akut utmaning är hur man kan minska miljöförorenande kväveoxider (NOx) som släpps ut från bilmotorer och industrier.

Ett team som leds av Chao Wang, en professor vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Johns Hopkins Universitys Whiting School of Engineering, har upptäckt ett nytt sätt att kvantitativt karakterisera atomstrukturerna för aktiva platser inom material som ofta används inom industrin som katalysatorer – arbete som lägger grunden för utformningen av mer miljövänliga och hållbara energikällor. Deras resultat publicerades i senaste numret av Naturkatalys .

"Med den kunskap som etablerats i vårt arbete, vi kan designa bättre katalysatorer/material för att förbättra energi- och kemisk omvandlingseffektivitet för många kemiska processer, såsom utsläppskontroll och omvandling av naturgas till flytande kemisk matning eller bränsle, ", sa Wang. "Det slutliga målet är att minska utsläppen från förbränningsmotorer och avgaser och använda naturgas på ett renare och grönare sätt."

I studien, Wang-teamet arbetade med Cu-utbytta zeoliter, som ofta används i industriella processer, och som lovar mycket som ekonomiska och effektiva katalysatorer som kan bryta ner eller sönderdela förorenande kväveoxid. Dock, tills nu, korrelationen mellan dessa material struktur och hur de beter sig har förblivit mystisk.

Först, forskarna syntetiserade olika Cu-utbytta zeoliter och använde reaktiv adsorption, med hjälp av spektroskopi för att karakterisera zeoliternas atomstruktur och adsorptionsegenskaper. Sedan, de använde densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar för att fastställa en linjär korrelation mellan adsorptionsanalys och katalytisk kinetik.

"Hemligheten bakom högpresterande Cu-utbytta zeoliter i NO-sönderdelning beror på den subtila adsorptionen och komprimeringen av NO-molekyler som sitter på Cu-dimerer. Det är evolutionärt att sådana fenomen någonsin observeras, " sa Wang.

I sådana Cu-utbytta ZSM-5 mikroporösa system, som avslöjats av Wang-gruppen, adsorptionsegenskapen och kompressionsenergin, vilka är nyckelparametrar och som styr den katalytiska prestandan vid NO-nedbrytning, kan manipuleras av antalet dimera ställen och det genomsnittliga Cu-Cu-avståndet i zeolitkatalysatorer.

"Vi integrerade banbrytande experimentell och beräkningsteknik för att först kvantifiera Cu-dimererna, mäta det genomsnittliga avståndet och förutsäga den katalytiska prestandan. Dimeriska katalysatorer är också användbara för andra viktiga industriella reaktioner såsom metanoxidation. Vi hoppas kunna belysa design och utveckling av avancerade katalytiska material, " sa Pengfei Xie, en assisterande forskare i Wangs labb, och tidningens första författare.

Nästa, Wang planerar att utnyttja upptäckter i detta arbete för att utveckla ny teknik för effektivt avlägsnande av kväveoxider från avgaser vid låga temperaturer.

"Detta skulle lösa den stora utmaningen med utsläpp vid kallstart av fordon, " han förklarade.