Forskare har upptäckt en ny reaktionsmekanism som kan användas för att förbättra katalysatordesign för föroreningskontrollsystem för att ytterligare minska utsläppen av smogframkallande kväveoxider i dieselavgaser.

Forskningen fokuserar på en typ av katalysator som kallas zeoliter, arbetshästar i petroleum- och kemiska raffinaderier och i utsläppskontrollsystem för dieselmotorer.

Nya katalysatordesigner behövs för att minska utsläppen av kväveoxider, eller NOx, eftersom nuvarande teknik bara fungerar bra vid relativt höga temperaturer.

"Den viktigaste utmaningen för att minska utsläppen är att de kan förekomma under ett mycket brett spektrum av driftförhållanden, och särskilt avgastemperaturer, "sa Rajamani Gounder, Larry och Virginia Faith biträdande professor i kemiteknik vid Purdue University Davidson School of Chemical Engineering. "Den kanske största utmaningen är att minska NOx vid låga avgastemperaturer, till exempel vid kallstart eller vid överbelastad stadskörning. "

Dock, utöver dessa "övergående" förhållanden, framtida fordon kommer naturligtvis att fungera vid lägre temperaturer hela tiden eftersom de kommer att bli mer effektiva.

"Så vi kommer att behöva katalysatorer som fungerar bättre inte bara under övergående förhållanden, men även under ihållande lägre avgastemperaturer, "Sa Gounder.

Han ledde ett team av forskare som har upptäckt en viktig egenskap hos katalysatorn för att den ska kunna omvandla kväveoxider. Fynd publiceras online i tidningen Vetenskap på torsdagen (17 augusti) och kommer att visas i ett senare trycknummer av tidningen.

"Resultaten här pekar på en tidigare okänd katalytisk mekanism och pekar också på nya riktningar för att upptäcka bättre katalysatorer, "sa William Schneider, H. Clifford och Evelyn A. Brosey professor i teknik vid University of Notre Dame. "Detta är en reaktion av stor miljövikt som används för att städa upp avgaser."

Arbetet utfördes av forskare vid Purdue, Notre Dame och Cummins Inc., en tillverkare av dieselmotorer.

"Cummins har stött Purdue kemiteknisk forskning relaterad till minskning av motorutsläpp under de senaste 14 åren, "sa Aleksey Yezerets, chef för Catalyst Technology på Cummins. "Denna publikation visar ett exempel på de många insikter om dessa komplexa processer som vi har arbetat tillsammans genom åren."

Zeoliter har en kristallin struktur som innehåller små porer med cirka 1 nanometer i diameter som är fyllda med kopparatom "aktiva platser" där kemin äger rum. I de nya fynden, forskarna upptäckte att ammoniak som införs i avgaserna "löser" dessa kopparjoner så att de kan vandra in i porerna, hitta varandra, och utföra ett katalytiskt steg som inte annars är möjligt.

Dessa koppar-ammoniakkomplex påskyndar en kritisk bindningsbrytande reaktion av syremolekyler, som för närvarande kräver en avgastemperatur på cirka 200 grader Celsius för att ske effektivt. Forskare försöker sänka denna temperatur till cirka 150 grader Celsius.

"Anledningen till att hela kemin fungerar är att isolerade enkla kopparplatser kommer samman, och arbeta tillsammans för att utföra ett svårt steg i reaktionsmekanismen, "Gounder sa." Det är en dynamisk process som involverar enstaka kopparplatser som möts för att bilda par under reaktionen för att aktivera syremolekyler, och sedan gå tillbaka till att vara isolerade platser efter att reaktionen är klar. "

Detta hastighetsbegränsande steg kan påskyndas genom att finjustera den rumsliga fördelningen av kopparjoner, vilket leder till lägre kväveoxidutsläpp vid svalare temperaturer än nu möjligt.

För att göra dessa upptäckter, forskarna behövde tekniker som kunde "se" kopparatomerna medan den katalytiska reaktionen skedde. Ingen teknik kan åstadkomma detta, så de kombinerade information från studier med högenergiröntgen vid en synkrotron vid Argonne National Laboratory, med beräkningsmodeller på molekylär nivå utförda på superdatorer vid Notre Dame Center for Research Computing och Environmental Molecular Sciences Laboratory på Pacific Northwest National Laboratory.

"Utan tvekan, vi kunde inte ha gjort dessa upptäckter utan ett mångsidigt och tätt integrerat team och tillgång till några av de mest kraftfulla laboratorie- och datorverktygen i landet, sa Schneider.

Även om projektet fokuserar på applikationer för att minska föroreningar på väg, den största marknadsandelen för zeolitkatalysatorer finns i petroleumraffinaderier. Upptäckten har konsekvenser för "heterogen katalys, "som ofta används inom industrin.

"De flesta katalytiska processer inom industrin använder heterogen teknik, "Sa Gounder.

Tidningen var författad av Purdue doktorander Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio och Jonatan D. Albarracin-Caballero; University of Notre Dame doktorander Christopher Paolucci, Sichi Li och Hui Li; Yezerets; Purdue professor i kemiteknik Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Purdues Maxine Spencer Nichols professor emeritus i kemiteknik; Fabio H. Ribeiro, Purdues R. Norris och Eleanor Shreve Professor i kemiteknik; Schneider; och Gounder.

Forskningen har finansierats av National Science Foundation och av Cummins Inc.

"Denna forskning är en del av vårt uppdrag som ett landbidragsuniversitet, "Gounder sa." Vi arbetar med företag i delstaten Indiana, och detta arbete var en väsentlig del i utbildningen av många studenter. "