Nous savons depuis des décennies que les catalyseurs accélèrent la réaction qui réduit les émissions industrielles nocives. Et maintenant, nous savons exactement comment ils le font.

Un article récent d'Israel Wachs, le professeur G. Whitney Snyder de génie chimique et biomoléculaire au P.C. de l'Université Lehigh. Collège Rossin d'ingénierie et de sciences appliquées, décrit le mécanisme, et était l'histoire de la couverture arrière du 2 septembre, 2019, problème de Angewandte Chemie , un journal de la Société chimique allemande.

Les centrales électriques sont une source majeure d'émissions toxiques associées au changement climatique. Lorsque des combustibles fossiles comme le charbon et le gaz naturel sont brûlés, ils produisent des contaminants dangereux, en particulier, un groupe de gaz nocifs appelés oxydes d'azote (ou NO X ) qui contribuent aux pluies acides, formation d'ozone troposphérique, et les gaz à effet de serre.

"Le processus de combustion pour générer de l'énergie nécessite des températures très élevées qui provoquent l'azote moléculaire (N 2 ) et l'oxygène (O 2 ) présent dans l'air pour se dissocier ou se fissurer, " dit Wachs. " Les atomes de N et O se recombinent alors et produisent du NO X , qui est considéré comme le plus gros problème de pollution aujourd'hui car il est très difficile à contrôler."

Dans les années 1970, les Japonais ont développé une technologie pour contrôler le NO X émissions par réaction de NO X avec de l'ammoniac pour former de l'azote inoffensif (N 2 ) et de l'eau (H 2 O).

"C'est une belle réaction chimique, convertir quelque chose de très nocif en quelque chose de très bénin, " dit Wachs, qui dirige le laboratoire de recherche sur la spectroscopie moléculaire et la catalyse Operando de Lehigh.

Les émissions de NOx sont désormais fortement réglementées et une stratégie de réduction courante est la réduction catalytique sélective (SCR) des oxydes d'azote par l'ammoniac. Les catalyseurs accélèrent à la fois la réaction SCR et contrôlent les produits de réaction (comme la formation de N 2 et H 2 O), ce qui signifie que le catalyseur garantit que la réaction ne produit pas de gaz nocifs indésirables (d'où « sélectif »).

Un catalyseur SCR largement utilisé par les centrales électriques est l'oxyde de vanadium supporté par l'oxyde de titane.

"Le catalyseur est constitué d'oxyde de vanadium et d'oxyde de tungstène dispersés à la surface d'une oxyde de titane (TiO 2 ) Support. L'oxyde de vanadium est le composant actif effectuant la réduction catalytique sélective vers N 2 formation et non les produits de réaction indésirables qui peuvent être toxiques, " dit Wachs. " Il y a un grand débat qui fait rage dans la littérature depuis 40 ans, dès le début du développement de cette technologie, autour de la question de savoir à quoi sert exactement le composant d'oxyde de tungstène ?"

La communauté des chercheurs savait par expérience que l'oxyde de tungstène stabilise thermiquement le support d'oxyde de titane, ce qui est vital car ces catalyseurs peuvent passer des années à des températures élevées pendant le fonctionnement. Ils savaient aussi que l'ajout d'oxyde de tungstène rend l'oxyde de vanadium beaucoup plus actif, ce qui est également important car plus un catalyseur est actif, moins vous en avez besoin. Mais pourquoi l'oxyde de tungstène a-t-il eu un tel effet sur la réactivité de l'oxyde de vanadium ?

Trois théories ont dominé au fil des ans, dit Wachs. L'un a affirmé que l'oxyde de tungstène a un caractère acide qui améliore la réaction chimique. Le second disait que l'oxyde de tungstène partageait en quelque sorte des électrons avec l'oxyde de vanadium, et le troisième a déclaré que l'oxyde de tungstène changeait la structure de l'oxyde de vanadium.

Wachs et ses collaborateurs ont utilisé un instrument de pointe appelé spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN) à champ élevé (HF) en conjonction avec des études de réaction pour tester chaque théorie.

"Il n'y a que quelques-uns de ces spectromètres HF RMN dans le monde, et leurs champs magnétiques sont si sensibles qu'il donne tous les détails moléculaires subtils de ce qui se passait dans le matériau, " il dit.

Ces détails moléculaires apparaissent comme des signaux que Wachs et son équipe ont ensuite interprétés à l'aide de calculs théoriques (théorie fonctionnelle de la densité).

"Il s'avère que la quantité d'oxyde de vanadium est très faible dans le catalyseur rendant l'oxyde de vanadium présent sous forme d'espèce isolée, ou des monomères, " dit Wachs. " Lorsque vous ajoutez l'oxyde de tungstène, l'oxyde de vanadium passe de monomères à oligomères ou polymères, alors maintenant tout l'oxyde de vanadium est connecté comme une chaîne ou un îlot sur le support d'oxyde de titane. Nous avons réalisé des études indépendantes et constaté que ces oligomères d'oxyde de vanadium sont 10 fois plus actifs que dans les sites d'oxyde de vanadium isolés. Donc l'oxyde de tungstène change vraiment la structure de l'oxyde de vanadium, d'une forme moins active à une forme très active."

Cette compréhension fondamentale du fonctionnement du catalyseur aidera à guider les futures conceptions de catalyseurs SCR améliorés, dit Wachs, qui a récemment été élu membre de la National Academy of Inventors et a été reconnu internationalement pour ses contributions innovantes à la catalyse fondamentale qui ont été appliquées à la fabrication de produits chimiques et au contrôle de la pollution atmosphérique.

"Maintenant que nous savons ce qui se passe, il ne s'agira pas d'essais et d'erreurs pour l'améliorer puisque nous adoptons une approche scientifique de la conception du catalyseur. »

Et cela aura d'énormes ramifications pour l'industrie et le contrôle de la pollution atmosphérique, il dit.

"Un catalyseur plus actif présente des avantages significatifs. Tout d'abord, ces systèmes sont énormes, presque la taille d'une petite maison, et beaucoup de ces usines ont été construites avant que cette technologie ne soit mandatée, donc l'espace aux usines est limité. Donc, si vous avez un catalyseur plus actif, vous avez besoin d'une empreinte plus petite. Ils sont aussi chers, donc si le catalyseur est plus actif, vous n'avez pas besoin d'autant. Et enfin, puisque nous pensons aussi qu'ils dureront plus longtemps, cela limitera le temps dont une usine doit s'arrêter pour installer un nouveau catalyseur."

Mais pour Wachs, l'effet sur la santé publique est le résultat le plus significatif et le plus gratifiant.

"Facilement, 40, 000 à 50, 000 personnes aux États-Unis meurent chaque année en raison de complications liées à la mauvaise qualité de l'air. Alors la catalyse, et la recherche qui l'entoure, a un impact sociétal considérable. C'est très satisfaisant quand on est capable de résoudre un problème qui existe depuis 40 ans, qui améliorera la technologie, et régler ces problèmes de santé."