Нам уже несколько десятилетий известно, что катализаторы ускоряют реакцию, сокращающую вредные промышленные выбросы. И теперь мы точно знаем, как они это делают.
Недавняя статья Исраэля Вакса, профессора химической и биомолекулярной инженерии Г. Уитни Снайдера в Университете Лихай. Колледж инженерии и прикладных наук Россина, описывает механизм и был на задней обложке номера Angewandte Chemie от 2 сентября 2019 года, журнала Немецкого химического общества.
Электростанции являются основным источником токсичных выбросов, связанных с изменением климата. При сжигании ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ, образуются опасные загрязняющие вещества, в частности, группа вредных газов, называемых оксидами азота (или NOx), которые способствуют кислотным дождям на уровне земли. образование озона и парниковые газы.
Процесс горения для выработки энергии требует очень высоких температур, при которых образуются молекулярный азот (N2) и кислород (O2) присутствует в воздухе, чтобы диссоциировать или трескаться», - говорит Вакс. «Затем атомы N и O рекомбинируют и образуют NOx, что сегодня считается самой большой проблемой загрязнения, потому что его очень трудно контролировать».
Еще в 1970-х годах японцы разработали технологию контроля выбросов NOx путем взаимодействия NOx с аммиаком с образованием безвредного азота (N 2) и вода (H2O).
«Это прекрасная химическая реакция, превращающая что-то очень вредное во что-то очень безвредное», - говорит Вакс, который руководит исследовательской лабораторией молекулярной спектроскопии и катализа Operando Lehigh.
Выбросы NOx в настоящее время строго регулируются, и одной из распространенных стратегий снижения выбросов является селективное каталитическое восстановление (SCR) оксидов азота аммиаком. Катализаторы ускоряют реакцию СКВ и контролируют продукты реакции (такие как образование N2 и H2O), что означает, что катализатор обеспечивает реакцию не производит нежелательных вредных газов (отсюда и «селективный»).
Одним из катализаторов SCR, широко используемых на электростанциях, является оксид ванадия на основе диоксида титана.
Катализатор состоит из оксида ванадия и оксида вольфрама, диспергированных на поверхности носителя из диоксида титана (TiO2). Оксид ванадия является активным компонентом, осуществляющим селективное каталитическое восстановление к образованию N2, а не к нежелательным продуктам реакции, которые могут быть токсичными», - говорит Вакс. «В течение 40 лет, с самого начала разработки этой технологии, в литературе бушуют большие дебаты вокруг вопроса о том, что именно делает компонент оксида вольфрама?»
Исследовательское сообщество по опыту знало, что оксид вольфрама термически стабилизирует носитель из диоксида титана, что очень важно, поскольку эти катализаторы могут годами находиться при высоких температурах во время работы. Они также знали, что добавление оксида вольфрама делает оксид ванадия намного более активным, что также важно, поскольку чем активнее катализатор, тем меньше его нужно. Но почему оксид вольфрама так повлиял на реакционную способность оксида ванадия?
На протяжении многих лет доминировали три теории, говорит Вакс. Один утверждал, что оксид вольфрама имеет кислый характер, который усиливает химическую реакцию. Второй говорил, что оксид вольфрама каким-то образом делит электроны с оксидом ванадия, а третий утверждал, что оксид вольфрама изменяет структуру оксида ванадия.
Вахс и его сотрудники использовали ультрасовременный прибор под названием спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого поля (ВЧ) в сочетании с исследованиями реакций для проверки каждой теории.
«В мире всего несколько таких ВЧ-ЯМР-спектрометров, и их магнитные поля настолько чувствительны, что позволяют получить все тонкие молекулярные детали того, что происходило с материалом», - говорит он.
Эти молекулярные детали выглядят как сигналы, которые Вакс и его команда затем интерпретировали с помощью теоретических расчетов (теория функционала плотности).
«Оказалось, что количество оксида ванадия в катализаторе очень мало, поэтому оксид ванадия присутствует в виде изолированных частиц или мономеров», - говорит Вакс. «Когда вы добавляете оксид вольфрама, оксид ванадия превращается из мономеров в олигомеры или полимеры, так что теперь весь оксид ванадия связан в виде цепи или островка на носителе из диоксида титана. Мы провели независимые исследования и обнаружили, что эти олигомеры оксида ванадия В 10 раз активнее, чем в изолированных центрах оксида ванадия, так что оксид вольфрама действительно изменяет структуру оксида ванадия из менее активной формы в высокоактивную."
Это фундаментальное понимание того, как работает катализатор, поможет в разработке будущих улучшенных катализаторов SCR, говорит Вакс, который недавно был избран членом Национальной академии изобретателей и получил международное признание за свой инновационный вклад в фундаментальные исследования. катализ, которые применялись в производстве химикатов и борьбе с загрязнением воздуха.
"Теперь, когда мы знаем, что происходит, это не будет методом проб и ошибок, чтобы сделать его лучше, поскольку мы применяем научный подход к конструкции катализатора."
И это будет иметь огромные последствия для промышленности и борьбы с загрязнением воздуха, говорит он.
Более активный катализатор имеет значительные преимущества. Прежде всего, эти системы огромны, размером почти с небольшой дом, и многие из этих заводов были построены до того, как эта технология стала обязательной, поэтому места на заводах ограничено, поэтому, если у вас есть более активный катализатор, вам нужна меньшая занимаемая площадь. Они также дороги, поэтому, если катализатор более активен, вам не нужно столько. И, наконец, поскольку мы также думаем, что они прослужат дольше, это ограничит количество времени, в течение которого завод должен быть остановлен для установки нового катализатора».
Но для Вакса воздействие на общественное здоровье является наиболее значимым и приятным результатом.
От 40 000 до 50 000 человек в Соединенных Штатах ежегодно умирают из-за осложнений, связанных с плохим качеством воздуха. Таким образом, катализ и связанные с ним исследования имеют огромное влияние на общество. Это очень приятно, когда вы' Мы можем решить проблему, которая существует уже 40 лет, улучшить технологию и решить эти проблемы со здоровьем».