La conservazione dell'ambiente e la sostenibilità futura richiedono innovazione da ingegneri chimici, dalle modifiche alla struttura microscopica dei materiali al cambiamento del modo in cui viene eseguita la produzione industriale su larga scala. Una sfida urgente è come mitigare gli ossidi di azoto (NOx) inquinanti per l'ambiente emessi dai motori e dalle industrie delle automobili.

Una squadra guidata da Chao Wang, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Whiting School of Engineering della Johns Hopkins University, ha scoperto un nuovo modo per caratterizzare quantitativamente le strutture atomiche dei siti attivi all'interno di materiali ampiamente utilizzati nell'industria come catalizzatori, lavoro che pone le basi per la progettazione di fonti di energia più rispettose dell'ambiente e sostenibili. I loro risultati sono stati pubblicati nell'ultimo numero di Catalisi della natura .

"Con la conoscenza stabilita nel nostro lavoro, possiamo progettare catalizzatori/materiali migliori per migliorare l'efficienza energetica e di conversione chimica di molti processi chimici, quali il controllo delle emissioni e la conversione del gas naturale in mangimi chimici liquidi o combustibili, " ha detto Wang. "L'obiettivo finale è ridurre le emissioni dei motori a combustione e degli scarichi e utilizzare il gas naturale in modo più pulito ed ecologico".

Nello studio, il team di Wang ha lavorato con zeoliti scambiate con Cu, spesso utilizzati nei processi industriali, e che sono molto promettenti come catalizzatori economici ed efficienti in grado di abbattere o decomporre l'ossido nitrico inquinante. Però, fino ad ora, la correlazione tra la struttura di questi materiali e il loro comportamento è rimasta misteriosa.

Primo, i ricercatori hanno sintetizzato varie zeoliti con scambio di Cu e hanno utilizzato l'adsorbimento reattivo, utilizzando la spettroscopia per caratterizzare la struttura atomica delle zeoliti e le proprietà di adsorbimento. Quindi, hanno usato i calcoli della teoria della funzione di densità (DFT) per stabilire una correlazione lineare tra l'analisi dell'adsorbimento e la cinetica catalitica.

"Il segreto delle zeoliti scambiate con Cu ad alte prestazioni nella decomposizione di NO ricade nel sottile assorbimento e compressione delle molecole di NO che si trovano sui dimeri di Cu. È evolutivo che tali fenomeni siano mai osservati, " ha detto Wang.

In tali sistemi microporosi ZSM-5 scambiati con Cu, come rivelato dal gruppo Wang, la proprietà di adsorbimento e l'energia di compressione, quali sono i parametri chiave e che regolano le prestazioni catalitiche in decomposizione di NO, può essere manipolato dal numero di siti dimerici e dalla distanza media Cu-Cu nei catalizzatori zeolitici.

"Abbiamo integrato tecnologie sperimentali e computazionali all'avanguardia per quantificare prima i dimeri di Cu, misurare la distanza media e prevedere le prestazioni catalitiche. I catalizzatori dimerici sono applicabili anche ad altre importanti reazioni industriali come l'ossidazione del metano. Speriamo di far luce sulla progettazione e lo sviluppo di materiali catalitici avanzati, " disse Pengfei Xie, un assistente ricercatore nel laboratorio di Wang, e il primo autore dell'articolo.

Prossimo, Wang prevede di sfruttare le scoperte in questo lavoro per sviluppare nuove tecnologie per la rimozione efficiente degli ossidi di azoto dagli scarichi a basse temperature.

"Questo risolverebbe la grande sfida delle emissioni all'avviamento a freddo dei veicoli, " Lui ha spiegato.