Katalizatori koji pripadaju porodici zeolita pomažu u uklanjanju toksičnih azotnih oksida iz industrijskih emisija. Istraživači sa Instituta Paul Scherrer PSI sada su otkrili da je njihova složena nanoporozna struktura ključna. Konkretno, pojedinačni atomi gvožđa koji sede u određenim susednim porama komuniciraju jedni sa drugima i na taj način pokreću željenu reakciju.
Industrija proizvodi gasove koji su štetni i za ljude i za životnu sredinu i stoga se moraju sprečiti da izađu. To uključuje azot oksid i azot oksid, drugi poznat i kao gas za smeh. Oba se mogu proizvoditi istovremeno kada se, na primer, proizvode đubriva.
Da bi ih uklonili iz otpadnih gasova, kompanije koriste katalizatore na bazi zeolita. Istraživači sa Instituta Paul Scherrer PSI, u saradnji sa švajcarskom hemijskom kompanijom CASALE SA, sada su razradili detalje o tome kako ovi katalizatori čine kombinaciju ova dva azotna oksida bezopasnom.
Rezultati njihovog istraživanja objavljeni su u časopisu Nature Catalisis i daju naznake o tome kako bi katalizatori mogli biti poboljšani u budućnosti.
„Kompanija CASALE sa sedištem u Luganu nas je kontaktirala jer su želeli da razviju bolje razumevanje kako njihovi katalizatori koji se koriste za smanjenje azot-oksida zapravo funkcionišu“, kaže Davide Ferri, šef istraživačke grupe za primenjenu katalizu i spektroskopiju u PSI Centru za Energetika i nauke o životnoj sredini.
Zeoliti koji se koriste za ovo se sastoje od atoma aluminijuma, kiseonika i silicijuma koji čine neku vrstu okvira. Zeoliti se javljaju prirodno – kao minerali u stenskim formacijama, na primer – ili se mogu proizvesti sintetički. Mnogi katalizatori koji se koriste u hemijskoj industriji su zasnovani na ovim jedinjenjima, sa dodatnim elementima koji se dodaju osnovnoj strukturi u zavisnosti od specifične primene.
Kada zeolitni okvir sadrži i gvožđe kao aktivnu supstancu, omogućava konverziju dva azotna oksida, azot-oksida (NO) i azot-oksida (N 2 O), u bezopasne molekule. „Međutim, ovi atomi gvožđa mogu biti locirani na mnogo različitih pozicija zeolitnog okvira i mogu imati različite oblike“, kaže Filippo Butignol, član Ferijeve grupe. On je glavni autor nove studije koju je sproveo u okviru svoje doktorske teze.
„Gvožđe se može smestiti u malim prostorima zeolita u obliku pojedinačnih atoma, ili pak nekoliko atoma gvožđa može biti vezano zajedno i sa atomima kiseonika u malo većim prostorima u regularnoj rešetki kao dvoatomski, višeatomski ili poliatomski klasteri. Ukratko, katalizator sadrži čitav zoološki vrt različitih vrsta gvožđa. „Želeli smo da znamo koja je od ovih vrsta gvožđa zapravo odgovorna za katalizu azotnih oksida.“
Istraživači, koji su specijalizovani za spektroskopske analize, znali su tačno koje tri vrste eksperimenata treba da sprovedu da bi odgovorili na ovo pitanje. Oni su to uradili dok se katalitička reakcija odvijala u njihovom uzorku zeolita.
Prvo su koristili švajcarski izvor svetlosti SLS u PSI da analiziraju proces korišćenjem rendgenske apsorpcione spektroskopije. „Ovo nam je omogućilo da istovremeno pogledamo sve vrste gvožđa“, objašnjava Butignol.
Zatim, u saradnji sa ETH Cirihom, koristili su spektroskopiju elektronske paramagnetne rezonance da identifikuju doprinos svake vrste. I na kraju – ponovo u PSI – naučnici su koristili infracrvenu spektroskopiju da odrede molekularni aspekt različitih vrsta gvožđa.
Svaka od ove tri metode doprinela je delu slagalice, što je na kraju dovelo do sledeće opšte slike: Kataliza se odvija na pojedinačnim atomima gvožđa koji se nalaze na dva vrlo specifična, susedna mesta zeolitske rešetke. Tokom procesa, ova dva atoma gvožđa deluju zajedno jedan sa drugim.
Jedan od njih, koji se nalazi u centru četiri atoma kiseonika u zeolitu raspoređenih u obliku kvadrata i posebno odgovoran za pretvaranje azot-oksida, komunicira sa drugim atomom gvožđa, koji je okružen atomima kiseonika raspoređenim u obliku tetraedra a na kojoj reaguje azot oksid.
„Samo tamo gde se pronađe ovaj precizan aranžman, vidimo da gvožđe doprinosi katalizi istovremenog smanjenja ta dva gasa“, kaže Butignol. Svaki od ovih atoma gvožđa dao je elektron i ponovo ga vratio, drugim rečima, tipična redoks reakcija katalize se tamo odvijala iznova i iznova.
Feri zaključuje: „Ako tačno znate gde se hemijska reakcija odvija, možete početi da prilagođavate proizvodnju katalizatora u skladu sa tim.
Kataliza azot-oksida i azot-oksida i samim tim njihovo uklanjanje iz industrijskih otpadnih gasova je važno jer su oba toksična za ljude. Osim toga, oba gasa su takođe štetna po životnu sredinu: azotni oksid je jedan od uzroka kiselih kiša, dok azot-oksid ima tako snažan uticaj na klimu da jedan njegov molekul doprinosi skoro 300 puta više efektu staklene bašte nego molekul ugljen-dioksida.
