La conservation de l'environnement et la durabilité future nécessitent l'innovation des ingénieurs chimistes, des ajustements à la structure microscopique des matériaux au changement de la façon dont la production industrielle à grande échelle est effectuée. Un défi urgent est de savoir comment atténuer les oxydes nitriques (NOx) polluants pour l'environnement émis par les moteurs et les industries automobiles.

Une équipe dirigée par Chao Wang, professeur au Département de génie chimique et biomoléculaire de la Whiting School of Engineering de l'Université Johns Hopkins, a découvert une nouvelle façon de caractériser quantitativement les structures atomiques des sites actifs au sein de matériaux largement utilisés dans l'industrie comme catalyseurs. Leurs résultats ont été publiés dans le dernier numéro de Catalyse naturelle .

"Avec les connaissances acquises dans notre travail, nous pouvons concevoir de meilleurs catalyseurs/matériaux pour améliorer l'efficacité de conversion énergétique et chimique de nombreux processus chimiques, tels que le contrôle des émissions et la conversion du gaz naturel en aliments chimiques liquides ou en carburants, ", a déclaré Wang. "L'objectif ultime est de réduire les émissions des moteurs à combustion et des gaz d'échappement et d'utiliser le gaz naturel d'une manière plus propre et verte."

Dans l'étude, l'équipe Wang a travaillé avec des zéolites échangées au Cu, qui sont souvent utilisés dans les processus industriels, et qui sont très prometteurs en tant que catalyseurs économiques et efficaces qui peuvent décomposer ou décomposer l'oxyde nitrique polluant. Cependant, jusqu'à maintenant, la corrélation entre la structure de ces matériaux et leur comportement est restée mystérieuse.

D'abord, les chercheurs ont synthétisé diverses zéolites échangées au Cu et utilisé l'adsorption réactive, en utilisant la spectroscopie pour caractériser la structure atomique et les propriétés d'adsorption des zéolithes. Puis, ils ont utilisé des calculs de la théorie de la fonction de densité (DFT) pour établir une corrélation linéaire entre l'analyse d'adsorption et la cinétique catalytique.

"Le secret des zéolites à haute performance échangées au Cu dans la décomposition du NO repose sur l'adsorption et la compression subtiles des molécules de NO reposant sur des dimères de Cu. Il est évolutif que de tels phénomènes soient jamais observés, " dit Wang.

Dans de tels systèmes microporeux ZSM-5 à échange de Cu, comme l'a révélé le groupe Wang, la propriété d'adsorption et l'énergie de compression, qui sont des paramètres clés et qui régissent les performances catalytiques en décomposition du NO, peut être manipulé par le nombre de sites dimères et la distance Cu-Cu moyenne dans les catalyseurs zéolitiques.

« Nous avons intégré des technologies expérimentales et informatiques de pointe pour quantifier dans un premier temps les dimères de Cu, mesurer la distance moyenne et prédire les performances catalytiques. Les catalyseurs dimères sont également applicables à d'autres réactions industrielles importantes telles que l'oxydation du méthane. Nous espérons faire la lumière sur la conception et le développement de matériaux catalytiques avancés, " dit Pengfei Xie, un chercheur assistant dans le laboratoire de Wang, et le premier auteur de l'article.

Prochain, Wang prévoit de tirer parti des découvertes de ce travail pour développer de nouvelles technologies pour l'élimination efficace des oxydes d'azote des gaz d'échappement à basse température.

"Cela résoudrait le grand défi des émissions lors des démarrages à froid des véhicules, " il expliqua.