Hace décadas que sabemos que los catalizadores aceleran la reacción que reduce las emisiones industriales nocivas. Y ahora, sabemos exactamente cómo lo hacen.
Un artículo reciente de Israel Wachs, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular G. Whitney Snyder en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Rossin de la Universidad Lehigh de la Universidad de Lehigh, describe el mecanismo y fue la historia de la contraportada del 2 de septiembre de 2019,cuestión de Angewandte Chemie , una revista de la Sociedad Química Alemana.
Las centrales eléctricas son una fuente importante de emisiones tóxicas asociadas con el cambio climático. Cuando se queman combustibles fósiles como el carbón y el gas natural, producen contaminantes peligrosos, en particular, un grupo de gases nocivos llamados óxidos de nitrógeno o NO x que contribuyen a la lluvia ácida, la formación de ozono a nivel del suelo y los gases de efecto invernadero.
"El proceso de combustión para generar energía requiere temperaturas muy altas que causan nitrógeno molecular N 2 y oxígeno O 2 presente en el aire para disociarse o agrietarse ", dice Wachs." Los átomos de N y O se recombinan y producen NO x que hoy se considera el mayor problema de contaminación porque es muy difícil de controlar "
En la década de 1970, los japoneses desarrollaron una tecnología para controlar NO x emisiones al reaccionar NO x con amoníaco para formar nitrógeno inofensivo N 2 y agua H 2 O.
"Es una hermosa reacción química, que convierte algo muy dañino en algo muy benigno", dice Wachs, quien dirige el Laboratorio de Investigación de Catálisis y Espectroscopía Molecular Operando de Lehigh.
las emisiones de NOx ahora están fuertemente reguladas y una estrategia de reducción común es la reducción catalítica selectiva SCR de los óxidos de nitrógeno por amoníaco. Los catalizadores aceleran la reacción SCR y controlan los productos de reacción como la formación de N 2 y H 2 O, lo que significa que el catalizador asegura que la reacción no produzca gases nocivos indeseables por lo tanto, "selectivo".
Un catalizador SCR ampliamente utilizado por las centrales eléctricas es el óxido de vanadio con soporte de titania.
"El catalizador consiste en óxido de vanadio y óxido de tungsteno dispersos en la superficie de una titania TiO 2 soporte.El óxido de vanadio es el componente activo que realiza la reducción catalítica selectiva hacia N 2 formación y no los productos de reacción indeseables que pueden ser tóxicos ", dice Wachs." Ha habido un gran debate en la literatura durante 40 años, desde el comienzo del desarrollo de esta tecnología, en torno a la cuestión de qué hace exactamenteel componente de óxido de tungsteno hacer? "
La comunidad investigadora sabía por experiencia que el óxido de tungsteno estabiliza térmicamente el soporte de titania, lo cual es vital ya que estos catalizadores pueden pasar años a altas temperaturas durante la operación. También sabían que agregar óxido de tungsteno hace que el óxido de vanadio sea mucho más activo, lo que también esimportante ya que cuanto más activo es un catalizador, menos necesita. Pero, ¿por qué el óxido de tungsteno tuvo tal efecto sobre la reactividad del óxido de vanadio?
Tres teorías han dominado a lo largo de los años, dice Wachs. Una afirmó que el óxido de tungsteno tiene un carácter ácido que mejora la reacción química. La segunda dijo que el óxido de tungsteno de alguna manera compartía electrones con el óxido de vanadio, y la tercera afirmó que el óxido de tungsteno eracambiando la estructura del óxido de vanadio.
Wachs y sus colaboradores utilizaron un instrumento de vanguardia llamado espectrómetro de resonancia magnética nuclear RMN de alto campo HF junto con estudios de reacción para probar cada teoría.
"Solo hay unos pocos de estos espectrómetros de HF NMR en el mundo, y sus campos magnéticos son tan sensibles que proporciona todos los detalles moleculares sutiles de lo que estaba sucediendo en el material", dice.
Esos detalles moleculares aparecen como señales que Wachs y su equipo interpretaron luego usando cálculos teóricos Teoría funcional de la densidad.
"Resulta que la cantidad de óxido de vanadio es muy baja en el catalizador haciendo que el óxido de vanadio esté presente como especies aisladas o monómeros", dice Wachs. "Cuando agrega el óxido de tungsteno, el óxido de vanadio cambia de monómeros a oligómeros opolímeros, por lo que ahora todo el óxido de vanadio está conectado como una cadena o una isla en el soporte de titania. Realizamos estudios independientes y descubrimos que estos oligómeros de óxido de vanadio son 10 veces más activos que en los sitios aislados de óxido de vanadio. Entonces el óxido de tungstenorealmente cambia la estructura del óxido de vanadio, de una forma menos activa a una forma altamente activa "
Esta comprensión fundamental de cómo funciona el catalizador ayudará a guiar futuros diseños de catalizadores SCR mejorados, dice Wachs, quien fue elegido recientemente como miembro de la Academia Nacional de Inventores y ha sido reconocido internacionalmente por sus innovadoras contribuciones a la catálisis fundamental que hanaplicado en la fabricación de productos químicos y el control de la contaminación del aire.
"Ahora que sabemos lo que está sucediendo, no será prueba y error en términos de mejorarlo ya que adoptamos un enfoque científico para el diseño del catalizador".
Y eso tendrá enormes ramificaciones para la industria y el control de la contaminación del aire, dice.
"Un catalizador más activo tiene beneficios significativos. En primer lugar, estos sistemas son enormes, casi del tamaño de una casa pequeña, y muchas de estas plantas se construyeron antes de que esta tecnología fuera obligatoria, por lo que el espacio en las plantas es limitado.Entonces, si tiene un catalizador más activo, necesita una huella más pequeña. También son caros, por lo que si el catalizador es más activo, no necesita tanto. Y finalmente, dado que también creemos que durarán más,limitará la cantidad de tiempo que una planta tiene que cerrar para instalar un nuevo catalizador ".
Pero para Wachs, el efecto sobre la salud pública es el resultado más significativo y gratificante.
"Fácilmente, 40,000 a 50,000 personas en los Estados Unidos mueren anualmente debido a complicaciones de la mala calidad del aire. Por lo tanto, la catálisis y la investigación a su alrededor tienen un tremendo impacto social. Es muy satisfactorio cuando eres capaz de resolver un problema que esha existido durante 40 años, eso mejorará la tecnología y abordará estos problemas de salud ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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