Forskare från Tokyo Metropolitan University har skapat en ny volfram-substituerad vanadinoxidkatalysator för att bryta ner skadliga kväveoxider i industriella avgaser. Deras nya katalysatormaterial arbetar vid lägre temperaturer och drabbas inte av större prestandasänkningar vid bearbetning av "våta" avgaser, löser en stor nackdel i konventionella vanadinoxidkatalysatorer. De fann att den oaggregerade spridningen av atomär volfram i den ursprungliga kristallstrukturen spelar en nyckelroll i hur den fungerar.

Selektiv katalytisk reduktion (SCR) är en viktig teknik för att hålla luften ren. Industriella avgaser leds genom katalytiska enheter och reageras med ett reduktionsmedel för att omvandla skadliga kväveoxider till kväve och vatten. Höga halter av kväveoxider skadar inte bara grödor och vegetation, men kan direkt skada människor, förvärrar astma och andra andningsproblem. Detta gör den breda, effektiv användning av SCR-teknik, särskilt viktig för samhället.

Men konventionella SCR-katalysatorer har många problem som påverkar prestanda och effektivitet. För vanadinoxidkatalysatorer som använder ammoniak som reduktionsmedel, en stor begränsande faktor är prestanda vid olika temperaturer. Konventionella vanadinoxidkatalysatorer fungerar bäst vid 200 till 400 grader Celsius. I ett pannsystem, detta innebär att enheter måste placeras nära förbränningskammaren, gör dem mer mottagliga för skador från aska. I tidigare arbeten, ett team ledd av professor Toru Murayama från Tokyo Metropolitan University skapade en ny bulk-vanadinoxidkatalysator som fungerar effektivt vid 100 till 150 grader Celsius. Dock, lägre temperaturer ledde till ett annat problem — vattenånga. Vid lägre temperaturer, industriella avgaser innehåller vanligtvis 10-20 volymprocent vattenånga. Eftersom vanadinoxidkatalysatorer lider av en kraftig minskning av prestanda när gasen är våt, ytterligare genombrott krävdes för att få ut det mesta av detta nya katalytiska material.

Nu, samma team har löst problemet genom att skapa en ny, volfram-substituerad bulk vanadinoxidkatalysator. Genom att ersätta en del av vanadin i katalysatorns kristallina struktur med volfram, de upptäckte att det inte längre var känsligt för stora nedgångar i prestanda. Vid 150 grader Celsius, medan lagets tidigare bulk-vanadinoxidkatalysator drabbades av en omvandlingshastighetsminskning från 82 till 47 % när gasen var våt, den nya volframsubstituerade katalysatorns prestanda sjönk endast från> 99 % omvandling till 94 %. Detta gör materialet idealiskt för bearbetning av verkliga industriella avgaser.

Dock, mer volfram betydde inte nödvändigtvis bättre prestanda. Teamet fann att den oaggregerade atomspridningen av rätt mängd volfram var avgörande. Både volfram och vanadin måste fungera tillsammans:i våta förhållanden, det volfram-substituerade materialet gjorde fler platser tillgängliga för produktion av ammoniumjoner som sedan kunde reagera med kväveoxider nära angränsande vanadinjoner. Teamet hoppas att deras insikter om mekanismen och den överlägsna prestandan hos deras katalysator under realistiska förhållanden kommer att leda till nya industriella SCR-produkter och renare luft inom en inte alltför avlägsen framtid.