Les chercheurs ont découvert un nouveau mécanisme de réaction qui pourrait être utilisé pour améliorer la conception des catalyseurs des systèmes de contrôle de la pollution afin de réduire davantage les émissions d'oxydes d'azote à l'origine du smog dans les gaz d'échappement diesel.

La recherche se concentre sur un type de catalyseur appelé zéolites, bêtes de somme dans les raffineries de pétrole et de produits chimiques et dans les systèmes de contrôle des émissions des moteurs diesel.

De nouvelles conceptions de catalyseurs sont nécessaires pour réduire les émissions d'oxydes d'azote, ou NOx, car les technologies actuelles ne fonctionnent bien qu'à des températures relativement élevées.

« Le principal défi de la réduction des émissions est qu'elles peuvent se produire dans une très large gamme de conditions d'exploitation, et surtout les températures d'échappement, " dit Rajamani Gounder, le professeur adjoint Larry et Virginia Faith de génie chimique à la Davidson School of Chemical Engineering de l'Université Purdue. "Le plus grand défi est peut-être lié à la réduction des NOx à basse température d'échappement, par exemple lors d'un démarrage à froid ou lors d'une conduite urbaine encombrée."

Cependant, en plus de ces conditions « transitoires », les futurs véhicules fonctionneront naturellement à des températures plus basses tout le temps car ils seront plus efficaces.

"Nous allons donc avoir besoin de catalyseurs plus performants non seulement dans des conditions transitoires, mais aussi pendant des températures d'échappement plus basses soutenues, " a déclaré Gounder.

Il a codirigé une équipe de chercheurs qui ont découvert une propriété essentielle du catalyseur pour qu'il puisse convertir les oxydes d'azote. Les résultats seront publiés en ligne dans la revue Science jeudi (17 août) et paraîtra dans un prochain numéro imprimé du magazine.

"Les résultats ici indiquent un mécanisme catalytique jusqu'alors non reconnu et indiquent également de nouvelles directions pour découvrir de meilleurs catalyseurs, " dit Guillaume Schneider, le professeur H. Clifford et Evelyn A. Brosey d'ingénierie à l'Université de Notre Dame. "Il s'agit d'une réaction d'importance environnementale majeure utilisée pour nettoyer les gaz d'échappement."

Le travail a été effectué par des chercheurs de Purdue, Notre Dame et Cummins Inc., un fabricant de moteurs diesel.

"Cummins soutient la recherche en génie chimique de Purdue liée à la réduction des émissions des moteurs depuis 14 ans, " a déclaré Alexeï Yezerets, directeur de Catalyst Technology chez Cummins. "Cette publication montre un exemple des nombreuses informations sur ces processus complexes sur lesquelles nous avons travaillé ensemble au fil des ans."

Les zéolites ont une structure cristalline contenant de minuscules pores d'environ 1 nanomètre de diamètre qui sont remplis de "sites actifs" d'atomes de cuivre où se déroule la chimie. Dans les nouvelles découvertes, les chercheurs ont découvert que l'ammoniac introduit dans les gaz d'échappement « solvait » ces ions cuivre pour qu'ils puissent migrer à l'intérieur des pores, se trouver, et effectuer une étape catalytique autrement impossible.

Ces complexes cuivre-ammoniac accélèrent une réaction critique de rupture de liaison des molécules d'oxygène, qui nécessite actuellement une température d'échappement d'environ 200 degrés Celsius pour se produire efficacement. Les chercheurs tentent de réduire cette température à environ 150 degrés Celsius.

« La raison pour laquelle toute cette chimie fonctionne est que des sites de cuivre isolés se rejoignent, et travailler en tandem pour réaliser une étape difficile du mécanisme réactionnel, " a déclaré Gounder. " C'est un processus dynamique impliquant des sites de cuivre uniques qui se rencontrent pour former des paires au cours de la réaction pour activer les molécules d'oxygène, puis redevenir des sites isolés une fois la réaction terminée."

Cette étape limitante pourrait être accélérée en ajustant finement la distribution spatiale des ions cuivre, conduisant à des émissions d'oxydes d'azote inférieures à des températures plus froides que ce qui est actuellement possible.

Pour faire ces découvertes, les chercheurs avaient besoin de techniques capables de « voir » les atomes de cuivre pendant la réaction catalytique. Aucune technique n'est capable d'accomplir cela, ils ont donc combiné des informations provenant d'études utilisant des rayons X à haute énergie dans un synchrotron du Laboratoire national d'Argonne, avec des modèles informatiques au niveau moléculaire exécutés sur des superordinateurs au Notre Dame Center for Research Computing et au Environmental Molecular Sciences Laboratory du Pacific Northwest National Laboratory.

"Hors de tout doute, nous n'aurions pas pu faire ces découvertes sans une équipe diversifiée et étroitement intégrée et l'accès à certains des outils de laboratoire et informatiques les plus puissants du pays, ", a déclaré Schneider.

Bien que le projet se concentre sur les applications de dépollution « sur route », la plus grande part de marché pour les catalyseurs à base de zéolite se trouve dans les raffineries de pétrole. La découverte a des implications pour « la catalyse hétérogène, " qui est largement utilisé dans l'industrie.

"La plupart des procédés catalytiques dans l'industrie utilisent une technologie hétérogène, " a déclaré Gounder.

L'article a été rédigé par les étudiants diplômés de Purdue Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio et Jonatan D. Albarracin-Caballero; Étudiants diplômés de l'Université de Notre Dame Christopher Paolucci, Sichi Li et Hui Li; Ezerets; professeur Purdue de génie chimique Jeffrey T. Miller; W. Nicolas Delgass, Maxine Spencer Nichols, professeur émérite de génie chimique de Purdue; Fabio H. Ribeiro, R. Norris et Eleanor Shreve professeur de génie chimique de Purdue; Schneider ; et Gounder.

La recherche a été financée par la National Science Foundation et par Cummins Inc.

"Cette recherche fait partie de notre mission en tant qu'université concédante, " a déclaré Gounder. " Nous travaillons avec des entreprises de l'état de l'Indiana, et ce travail était une partie essentielle dans l'éducation de nombreux étudiants.