Pre samo nekoliko decenija, emisije azotnih oksida rutinski su mučile nebo gradova i pluća njihovih stanovnika. Ovi zagađujući reaktivni gasovi azot-oksida iz izduvnih cevi vozila i mašina sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem često se skraćeno nazivaju NOk. Ove emisije su tokom godina značajno ublažene čistijim tehnologijama motora sa sagorevanjem i primenom naknadne obrade izduvnih gasova kao što je selektivna katalitička redukcija (SCR) NOk.
Iako će elektrifikacija vozila smanjiti ili eliminisati emisije iz mnogih mobilnih izvora, emisije iz sektora koje je teško elektrificirati kao što su poljoprivreda i druga terenska vozila predstavljaju stalni izazov. Štaviše, postizanje efikasnijeg katalitičkog smanjenja ovih emisija vremenom postaje sve teže, sa efikasnijim dizel motorima koji proizvode manje toplote za pokretanje katalitičke reakcije. Isti izazov dele i čistija goriva poput biodizela ili drugih goriva sa niskim sadržajem ugljenika.
Sada, novo otkriće istraživača iz Pacific Northvest National Laboratori (PNNL), objavljeno nedavno u Nature Communications, osvetlilo je ranije nepoznati ključni mehanizam koji bi mogao da informiše razvoj novih, efikasnijih katalizatora za smanjenje emisije NO k iz motora sa unutrašnjim sagorevanjem koji sagorevaju dizel. ili goriva sa niskim sadržajem ugljenika.
SCR NO k za dizel vozila koristi reduktor (obično amonijak) i katalizator za pretvaranje NO k u azot, vodu i ugljen-dioksid.
Istraživači su upoređivali efikasnost serije najboljih katalizatora na bazi bakra kada su primetili nešto čudno: performanse jednog od katalizatora – označenog Cu/LTA – bile su 40% manje efektivne na 180 °C od njegovih kolega. , čak i kada je dodato više reakcionih mesta. Istraživači nisu mogli da objasne zapažanje na osnovu svojih prethodnih studija.
„Želeli smo da razumemo šta je zaista uzrokovalo da ovaj katalizator bude manje aktivan, iako ima aktivnijih mesta“, rekao je Feng Gao, naučnik osoblja u PNNL-ovoj naučnoj grupi za katalizu i glavni autor Nature Communications dokumenta.
Tim je koristio spektroskopiju elektronske paramagnetne rezonance da bi bliže pogledao problematični katalizator. Otkrili su značajnu količinu bakra – što znači da se akumulirao, a ne da reaguje – i kombinovali to sa teorijskim proračunima kako bi identifikovali krivca.
„Njegova kiselost je niža od druga dva“, objasnio je Gao. „Uglavnom, niža kiselost čini intermedijer manje reaktivnim.“
Istraživači su zatim koristili hidrotermalno starenje da smanje kisela mesta u drugim katalizatorima; ti katalizatori su, zauzvrat, pokazali smanjenu efikasnost, potvrđujući nalaz.
„Mnoga istraživanja su se fokusirala na ulogu bakra: kako bakar mora da formira komplekse i zapravo mora da se kreće u ovoj strukturi“, objasnio je Kenneth Rappe, glavni inženjer i vođa tima za primenjenu katalizu u PNNL-u. „Onda se dugo vodila debata o tome, u redu, koja je uloga kiselosti?“
Pre ovog istraživanja, istraživačka zajednica je naširoko razumela ulogu kiselih mesta u skladištenju amonijaka, a zatim i obezbeđivanju tog amonijaka u bakar kada je to potrebno.
„To je više od toga. Ona zapravo igra aktivnu ulogu, učestvuje“, rekao je Rappe. „Aktivni kompleks bakra koji se formira u odsustvu kiselosti, zapravo ne pokreće reakciju – on je zatvoren u svemiru.“ Bez kiselosti, bakar se akumulira umesto da reaguje, čineći katalizator manje efikasnim.
Sa ovim novim razumevanjem u ruci, proizvođači i istraživači će biti bolje opremljeni da teže efikasnijoj katalitičkoj redukciji NO k u industrijskim motorima sa sagorevanjem koji sagorevaju dizel ili goriva sa niskim sadržajem ugljenika.
„Kiselinska mesta su važna komponenta za pokretanje ove reakcije na niskim temperaturama i ključno razmatranje za dizajniranje vrhunskih katalizatora koji će biti aktivniji na nižim temperaturama“, rekao je Rappe. „To je veliki razvoj. Ovo polje je tako intenzivno proučavano. Ovo je značajan napredak jer nam daje još jedan alat za stvarno poboljšanje ovih katalizatora.“
„Smatramo ovu publikaciju fundamentalnom studijom, ali ova istraživačka tema je visoko orijentisana na aplikacije“, dodao je Gao.
Sledeći korak za istraživače će biti rad sa proizvođačima katalizatora, proizvođačima motora ili oboje kako bi se poboljšalo trenutno stanje tehnike u SCR za motore sa unutrašnjim sagorevanjem koji sagorevaju dizel ili goriva sa niskim sadržajem ugljenika.
„Mi smo u poslu da informišemo o mogućnostima za dizajniranje novih katalizatora“, rekao je Rappe.
