2019-08-25 08:43:01
鉴定分解结构分解烟雾的重要组成部分

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当化石燃料在高温下燃烧时形成氮氧化物,也称为NOx。当从燃煤电厂等工业源排放时,这些污染物会与其他化合物发生反应,产生有害的烟雾。为了减轻这些NOx排放,工程师开发了一种称为选择性催化还原(SCR)的工艺,其中NOx通过转化器或空气洗涤器,将危险化学品转化为无害的氮气。

虽然SCR不是新的,但是该过程中使用的金属氧化物的基本化学成分仍然未知 - 直到现在。由PNNL化学家Jian Zhi Hu领导的一个研究小组以及来自多所大学的合作者,已经果断地描述了金属氧化物的排列方式。

“当我们试图设计更好的材料时,反应如何起作用,”华盛顿州立大学论文和博士生Nicholas Jaegers说。 “如果我们能够确定在分子水平上具体工作的趋势,那么我们可能能够改变系统以获得我们想要的更多效果,或将其应用于具有相同活动要求的其他反应。” Jaegers是指导该研究的资深科学家王勇教授的实验室学生。

分手

正如在许多毒性关系中一样,氮和氧 - 构成氮氧化物的两种其他良性元素 - 一起是危险的,并且一旦结合,就难以分开。正确的催化剂有助于分解,并在适当的条件下,帮助原子更快地分离。

设计用于分解发电厂或其他固定燃烧设施中的NOx的SCR单元由氧化钛载体晶格制成,氧化钒和氧化钨位于顶部。在没有诸如氧化钒的催化剂的情况下,NOx不会分裂,但是当添加氧化钨时,分裂更快且更完全。

科学家推测钨的作用是结构性的,而不是反应中活性位点的直接部分,但是如果不知道分子水平上发生了什么,他们就无法确定。

到目前为止,测量分子结构的限制使得无法理解反应如何起作用。许多技术可以检测某些元素的存在,它们的浓度和它们的化学状态。然而,这些方法要么降解实验样品,要么缺乏精确度来确定分子是单独存在还是存在于偶联剂或基团内。该团队通过结合高速魔角旋转核磁共振(MAS NMR),反应性测试和计算模型来克服这些局限,从而发现它们。

“为了找到这些证据,MAS核磁共振是绝对必要的,”PNNL物理和计算科学理事会首席科学和技术官Karl Mueller说。该仪器由能源部的基础能源科学资助,使科学家能够对负责催化反应的分子结构做出决定性的结论。

搜索信号

MAS NMR通过在特定角度的强磁场中旋转样品并通过其射出无线电波来激发和检测与原子相关的核自旋的共振频率。因为每个原子具有不同的频率,所以波只激励目标元素。每个原子发送一个响应,显示其位置及其周围的内容。基于这种反应 - 以及它的详细程度 - 科学家们可以理解材料的结构。

MAS NMR对含钒材料的结构变化特别敏感,但该团队不知道不同的氧化钒排列会产生哪种反应。通过与阿拉巴马大学的David Dixon团队的密切合作,他们模拟了各种钒排列的输出响应,然后将模拟结果与MAS NMR结果相匹配。这种比较使研究人员能够识别表面结构。

该团队发现,未结合的单一氧化钒(也称为单体)在允许NOx反应进行时相对较慢。然而,在钛载体上靠近在一起的钒氧化物对或簇也显着提高了反应效率。这恰好由Lehigh大学的Israel Wachs教授组确定。

该团队还了解到,钨的反应性能不是必需的,而是因为它促使钒氧化物排列成反应性团簇。与分离的氧化钒单体不同,钒簇的效果更好,因为它们提供了几个共同作用的活性位点,使反应更快。该研究表明,反应需要两个站点更紧密地共同发挥作用。

有了这个结构,下一步就是要了解为什么钨促进反应更稳定。为此,该团队正在研究老化与新鲜SCR装置的反应如何不同,以及水可能如何影响反应。随着时间的推移,这些发现可能会影响SCR装置的制造方式。

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