Retro copertina interna:meccanismo mediante il quale l'ossido di tungsteno promuove l'attività dei catalizzatori V2O5/TiO2 supportati per l'abbattimento di NOX:effetti strutturali rivelati dalla spettroscopia NMR 51V MAS (Angew. Chem. Int. Ed. 36/2019) Credito:© 2019 Wiley?VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
Sappiamo da decenni che i catalizzatori accelerano la reazione che riduce le emissioni industriali nocive. E adesso, sappiamo esattamente come lo fanno.
Un recente articolo di Israel Wachs, il professore di ingegneria chimica e biomolecolare G. Whitney Snyder presso il P.C. della Lehigh University. Rossin College di Ingegneria e Scienze Applicate, descrive il meccanismo, ed era la storia interna della quarta di copertina del 2 settembre, 2019, problema di Angewandte Chemie , una rivista della Società Chimica Tedesca.
Le centrali elettriche sono una delle principali fonti di emissioni tossiche associate ai cambiamenti climatici. Quando vengono bruciati combustibili fossili come carbone e gas naturale, producono contaminanti pericolosi, in particolare, un gruppo di gas nocivi chiamati ossidi di azoto (o NO X ) che contribuiscono alle piogge acide, formazione di ozono a livello del suolo, e gas serra.
"Il processo di combustione per generare energia richiede temperature molto elevate che causano azoto molecolare (N 2 ) e ossigeno (O 2 ) presenti nell'aria per dissociarsi o rompersi, " dice Wachs. "Gli atomi di N e O quindi si ricombinano e formano NO X , che è considerato il più grande problema di inquinamento oggi perché è molto difficile da controllare".
Già negli anni '70, i giapponesi hanno sviluppato una tecnologia per controllare l'NO X emissioni reagendo NO X con ammoniaca per formare azoto innocuo (N 2 ) e acqua (H 2 O).
"È una bellissima reazione chimica, convertire qualcosa di molto dannoso in qualcosa di molto benigno, "dice Wachs, che dirige l'Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab di Lehigh.
Le emissioni di NOx sono ora fortemente regolamentate e una strategia di abbattimento comune è la riduzione catalitica selettiva (SCR) degli ossidi di azoto mediante ammoniaca. I catalizzatori accelerano la reazione SCR e controllano i prodotti di reazione (come la formazione di N 2 e H 2 o), il che significa che il catalizzatore garantisce che la reazione non produca gas nocivi indesiderati (quindi "selettivi").
Un catalizzatore SCR ampiamente utilizzato dalle centrali elettriche è l'ossido di vanadio supportato da titanio.
"Il catalizzatore è costituito da ossido di vanadio e ossido di tungsteno dispersi sulla superficie di una titania (TiO 2 ) sostegno. L'ossido di vanadio è il componente attivo che effettua la riduzione catalitica selettiva verso N 2 formazione e non i prodotti di reazione indesiderati che possono essere tossici, " dice Wachs. "C'è stato un grande dibattito che infuria nella letteratura per 40 anni, fin dall'inizio dello sviluppo di questa tecnologia, intorno alla domanda su cosa fa esattamente il componente di ossido di tungsteno?"
La comunità di ricerca sapeva per esperienza che l'ossido di tungsteno stabilizza termicamente il supporto in titanio, il che è vitale in quanto questi catalizzatori possono trascorrere anni ad alte temperature durante il funzionamento. Sapevano anche che l'aggiunta di ossido di tungsteno rende l'ossido di vanadio molto più attivo, il che è importante anche perché più un catalizzatore è attivo, meno ne hai bisogno. Ma perché l'ossido di tungsteno ha avuto un tale effetto sulla reattività dell'ossido di vanadio?
Tre teorie hanno dominato nel corso degli anni, dice Wachs. Uno ha affermato che l'ossido di tungsteno ha un carattere acido che migliora la reazione chimica. Il secondo ha detto che l'ossido di tungsteno condivideva in qualche modo gli elettroni con l'ossido di vanadio, e il terzo affermava che l'ossido di tungsteno stava cambiando la struttura dell'ossido di vanadio.
Wachs e i suoi collaboratori hanno utilizzato uno strumento all'avanguardia chiamato spettrometro a risonanza magnetica nucleare (NMR) ad alto campo (HF) in combinazione con studi di reazione per testare ciascuna teoria.
"Ci sono solo alcuni di questi spettrometri HF NMR nel mondo, e i loro campi magnetici sono così sensibili da fornire tutti i sottili dettagli molecolari di ciò che stava accadendo nel materiale, " lui dice.
Quei dettagli molecolari appaiono come segnali che Wachs e il suo team hanno poi interpretato utilizzando calcoli teorici (Density Functional Theory).
"Si scopre che la quantità di ossido di vanadio è molto bassa nel catalizzatore, rendendo l'ossido di vanadio presente come specie isolata, o monomeri, " dice Wachs. "Quando aggiungi l'ossido di tungsteno, l'ossido di vanadio cambia da monomeri a oligomeri o polimeri, quindi ora tutto l'ossido di vanadio è collegato come una catena o un'isola sul supporto di titanio. Abbiamo eseguito studi indipendenti e scoperto che questi oligomeri dell'ossido di vanadio sono 10 volte più attivi rispetto ai siti isolati dell'ossido di vanadio. Quindi l'ossido di tungsteno cambia davvero la struttura dell'ossido di vanadio, da una forma meno attiva a una forma altamente attiva."
Questa comprensione fondamentale di come funziona il catalizzatore aiuterà a guidare i progetti futuri di catalizzatori SCR migliorati, dice Wachs, che è stato recentemente eletto Fellow della National Academy of Inventors ed è stato riconosciuto a livello internazionale per i suoi contributi innovativi alla catalisi fondamentale che sono stati applicati nella produzione di sostanze chimiche e nel controllo dell'inquinamento atmosferico.
"Ora che sappiamo cosa sta succedendo, non saranno tentativi ed errori in termini di miglioramento poiché adottiamo un approccio scientifico alla progettazione del catalizzatore."
E questo avrà enormi ramificazioni per l'industria e il controllo dell'inquinamento atmosferico, lui dice.
"Un catalizzatore più attivo ha vantaggi significativi. Prima di tutto, questi sistemi sono enormi, quasi le dimensioni di una piccola casa, e molti di questi impianti sono stati costruiti prima che questa tecnologia fosse resa obbligatoria, quindi lo spazio negli impianti è limitato. Quindi, se hai un catalizzatore più attivo, hai bisogno di un ingombro ridotto. Sono anche costosi, quindi se il catalizzatore è più attivo, non ti serve tanto. E infine, poiché pensiamo anche che dureranno più a lungo, limiterà la quantità di tempo che un impianto deve chiudere per installare un nuovo catalizzatore".
Ma per Wachs, l'effetto sulla salute pubblica è il risultato più significativo e gratificante.
"Facilmente, 40, 000 a 50, 000 persone negli Stati Uniti muoiono ogni anno a causa di complicazioni dovute alla scarsa qualità dell'aria. Quindi catalisi, e la ricerca intorno ad esso, ha un enorme impatto sociale. È molto soddisfacente quando sei in grado di risolvere un problema che esiste da 40 anni, che migliorerà la tecnologia, e affrontare questi problemi di salute".
