Contraportada interior:mecanismo por el cual el óxido de tungsteno promueve la actividad de los catalizadores de V2O5 / TiO2 admitidos para la reducción de NOX:efectos estructurales revelados por espectroscopia de RMN MAS 51V (Angew. Chem. Int. Ed. 36/2019) Crédito:© 2019 Wiley? VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim
Sabemos desde hace décadas 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, el Profesor G. Whitney Snyder de Ingeniería Química y Biomolecular en el P.C. de la Universidad de Lehigh. Rossin College of Engineering and Applied Science, describe el mecanismo, y fue la historia de la contraportada interior del 2 de septiembre, 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, formación de ozono a nivel del suelo, y gases de efecto invernadero.
"El proceso de combustión para generar energía requiere temperaturas muy altas que provocan nitrógeno molecular (N 2 ) y oxígeno (O 2 ) presente en el aire para disociarse o agrietarse, "dice Wachs." Los átomos de N y O luego se recombinan y producen NO X , que se considera el mayor problema de contaminación en la actualidad porque es muy difícil de controlar ".
En la década de 1970, los japoneses desarrollaron una tecnología para controlar el NO X emisiones al reaccionar NO X con amoniaco para formar nitrógeno inocuo (N 2 ) y agua (H 2 O).
"Es una hermosa reacción química, convertir 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 están ahora fuertemente reguladas y una estrategia común de reducción es la reducción catalítica selectiva (SCR) de 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 soportado por titania.
"El catalizador consiste en óxido de vanadio y óxido de tungsteno dispersos en la superficie de una titania (TiO 2 ) apoyo. 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 exactamente el componente de óxido de tungsteno ".
La comunidad de investigadores 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 su funcionamiento. También sabían que agregar óxido de tungsteno hace que el óxido de vanadio sea mucho más activo, lo cual también es importante ya que cuanto más activo es un catalizador, menos se 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. Uno afirmó que el óxido de tungsteno tiene un carácter ácido que mejora la reacción química. El segundo dijo que el óxido de tungsteno de alguna manera compartía electrones con el óxido de vanadio, y el tercero afirmó que el óxido de tungsteno estaba cambiando la estructura del óxido de vanadio.
Wachs y sus colaboradores utilizaron un instrumento de vanguardia llamado espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN) de campo alto (HF) junto con estudios de reacción para probar cada teoría.
"Hay sólo unos pocos de estos espectrómetros de RMN de HF en el mundo, y sus campos magnéticos son tan sensibles que da todos los detalles moleculares sutiles de lo que estaba sucediendo en el material, " él dice.
Esos detalles moleculares aparecen como señales que Wachs y su equipo luego interpretaron utilizando cálculos teóricos (teoría funcional de la densidad).
"Resulta que la cantidad de óxido de vanadio es muy baja en el catalizador, lo que hace que el óxido de vanadio esté presente como especie aislada, o monómeros, "dice Wachs." Cuando agrega el óxido de tungsteno, cambios de óxido de vanadio de monómeros a oligómeros o polímeros, así que ahora todo el óxido de vanadio está conectado como una cadena o una isla en el soporte de titania. Realizamos estudios independientes y encontramos que estos oligómeros de óxido de vanadio son 10 veces más activos que en los sitios de óxido de vanadio aislados. Entonces, el óxido de tungsteno realmente cambia la estructura del óxido de vanadio, de una forma menos activa a una muy activa ".
Esta comprensión fundamental de cómo funciona el catalizador ayudará a guiar los diseños futuros de catalizadores SCR mejorados, dice Wachs, quien fue recientemente elegido miembro de la Academia Nacional de Inventores y ha sido reconocido internacionalmente por sus contribuciones innovadoras a la catálisis fundamental que se han aplicado en la fabricación de productos químicos y el control de la contaminación del aire.
"Ahora que sabemos lo que está pasando, 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, él 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 se ordenara esta tecnología, 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 así que si el catalizador es más activo, no necesitas tanto. Y finalmente, ya 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. Entonces la catálisis y la investigación a su alrededor, tiene un impacto social tremendo. Es muy satisfactorio poder resolver un problema que existe desde hace 40 años, que mejorará la tecnología, y abordar estos problemas de salud ".
