Vi har vetat i decennier att katalysatorer påskyndar reaktionen som minskar skadliga industriella utsläpp. Och nu, vi vet exakt hur de gör det.

En färsk artikel av Israel Wachs, G. Whitney Snyder professor i kemi- och biomolekylär teknik vid Lehigh Universitys P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science, beskriver mekanismen, och var insidan på baksidan av den 2 september, 2019, frågan om Angewandte Chemie , en tidskrift från German Chemical Society.

Kraftverk är en viktig källa till giftiga utsläpp i samband med klimatförändringar. När fossila bränslen som kol och naturgas förbränns, de producerar farliga föroreningar, särskilt, en grupp skadliga gaser som kallas kväveoxider (eller NO _x ) som bidrar till surt regn, marknära ozonbildning, och växthusgaser.

"Förbränningsprocessen för att generera energi kräver mycket höga temperaturer som orsakar molekylärt kväve (N ₂ ) och syre (O ₂ ) finns i luften för att lossa eller spricka, " säger Wachs. "N- och O-atomerna rekombinerar sedan och bildar NO _x , som anses vara det största föroreningsproblemet idag eftersom det är väldigt svårt att kontrollera."

Tillbaka på 1970-talet, japanerna utvecklade en teknik för att kontrollera NO _x utsläpp genom att reagera NEJ _x med ammoniak för att bilda ofarligt kväve (N ₂ ) och vatten (H ₂ O).

"Det är en vacker kemisk reaktion, omvandla något mycket skadligt till något mycket godartat, säger Wachs, som leder Lehighs Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab.

NOx-utsläpp är nu starkt reglerade och en vanlig minskningsstrategi är den selektiva katalytiska reduktionen (SCR) av kväveoxider med ammoniak. Katalysatorer påskyndar både SCR-reaktionen och styr reaktionsprodukterna (som bildning av N ₂ och H ₂ O), vilket innebär att katalysatorn säkerställer att reaktionen inte producerar några oönskade skadliga gaser (därav "selektiv").

En SCR-katalysator som används allmänt av kraftverk är titandioxidstödd vanadinoxid.

"Katalysatorn består av vanadinoxid och volframoxid dispergerad på ytan av en titanoxid (TiO) ₂ ) Stöd. Vanadinoxiden är den aktiva komponenten som utför den selektiva katalytiska reduktionen mot N ₂ bildning och inte de oönskade reaktionsprodukterna som kan vara giftiga, " säger Wachs. "Det har pågått en stor debatt i litteraturen i 40 år, redan från början av utvecklingen av denna teknik, kring frågan om vad exakt gör volframoxidkomponenten?"

Forskarvärlden visste av erfarenhet att volframoxid termiskt stabiliserar titandioxidstödet, vilket är avgörande eftersom dessa katalysatorer kan tillbringa år vid höga temperaturer under drift. De visste också att tillsats av volframoxid gör vanadinoxiden mycket mer aktiv, vilket också är viktigt eftersom ju mer aktiv en katalysator är desto mindre av den behöver du. Men varför hade volframoxid en sådan effekt på vanadinoxidens reaktivitet?

Tre teorier har dominerat genom åren, säger Wachs. En hävdade att volframoxid har en sur karaktär som förstärker den kemiska reaktionen. Den andra sade volframoxiden delade på något sätt elektroner med vanadinoxid, och den tredje angav att volframoxiden förändrade strukturen hos vanadinoxiden.

Wachs och hans medarbetare använde ett avancerat instrument som kallas en High Field (HF) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spektrometer i samband med reaktionsstudier för att testa varje teori.

"Det finns bara ett fåtal av dessa HF NMR-spektrometrar i världen, och deras magnetfält är så känsliga att det ger alla de subtila molekylära detaljerna om vad som hände i materialet, " han säger.

Dessa molekylära detaljer framstår som signaler som Wachs och hans team sedan tolkade med hjälp av teoretiska beräkningar (Density Functional Theory).

"Det visar sig att mängden vanadinoxid är mycket låg i katalysatorn vilket gör att vanadinoxiden är närvarande som isolerade ämnen, eller monomerer, " säger Wachs. "När du lägger till volframoxiden, vanadinoxid ändras från monomerer till oligomerer eller polymerer, så nu är all vanadinoxid ansluten som en kedja eller en ö på titania -stödet. Vi utförde oberoende studier och fann att dessa oligomerer av vanadinoxid är 10 gånger mer aktiva än i de isolerade vanadinoxidställena. Så volframoxiden förändrar verkligen strukturen av vanadinoxid, från en mindre aktiv form till en mycket aktiv form. "

Denna grundläggande förståelse för hur katalysatorn fungerar kommer att hjälpa till att vägleda framtida konstruktioner av förbättrade SCR-katalysatorer, säger Wachs, som nyligen valdes till Fellow i National Academy of Inventors och har blivit internationellt erkänd för sina innovativa bidrag till grundläggande katalys som har använts vid tillverkning av kemikalier och kontroll av luftföroreningar.

"Nu när vi vet vad som händer, Det kommer inte att vara försök och fel när det gäller att göra det bättre eftersom vi tar ett vetenskapligt förhållningssätt till katalysatorns design. "

Och det kommer att få enorma konsekvenser för industrin och luftföroreningskontroll, han säger.

"En mer aktiv katalysator har betydande fördelar. Först och främst, dessa system är enorma, nästan lika stort som ett litet hus, och många av dessa anläggningar byggdes innan denna teknik fick mandat, så utrymmet vid växterna är begränsat. Så om du har en mer aktiv katalysator, du behöver ett mindre fotavtryck. De är också dyra, så om katalysatorn är mer aktiv, du behöver inte lika mycket. Och slutligen, eftersom vi också tror att de kommer att hålla längre, det kommer att begränsa den tid en anläggning måste stängas av för att installera en ny katalysator."

Men för Wachs, effekten på folkhälsan är det mest meningsfulla – och glädjande – resultatet.

"Lätt, 40, 000 till 50, 000 personer i USA dör årligen på grund av komplikationer från dålig luftkvalitet. Så katalys, och forskningen kring det, har en enorm samhällspåverkan. Det är väldigt tillfredsställande när man kan lösa ett problem som har funnits i 40 år, som kommer att förbättra tekniken, och ta itu med dessa hälsoproblem."