p Há décadas que sabemos que os catalisadores aceleram a reação que reduz as emissões industriais prejudiciais. E agora, sabemos exatamente como eles fazem isso. p Um artigo recente de Israel Wachs, o professor G. Whitney Snyder de Engenharia Química e Biomolecular na Universidade de Lehigh P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science, descreve o mecanismo, e foi a contracapa de 2 de setembro, 2019, emissão de Angewandte Chemie , um jornal da Sociedade Química Alemã.

p As usinas de energia são uma importante fonte de emissões tóxicas associadas às mudanças climáticas. Quando combustíveis fósseis como carvão e gás natural são queimados, eles produzem contaminantes perigosos, em particular, um grupo de gases nocivos chamados óxidos de nitrogênio (ou NO _x ) que contribuem para a chuva ácida, formação de ozônio ao nível do solo, e gases de efeito estufa.

p “O processo de combustão para gerar energia requer temperaturas muito altas que causam nitrogênio molecular (N ₂ ) e oxigênio (O ₂ ) presente no ar para se desassociar ou rachar, "diz Wachs." Os átomos de N e O então se recombinam e formam NO _x , que é considerado o maior problema de poluição hoje porque é muito difícil de controlar. "

p Na década de 1970, os japoneses desenvolveram uma tecnologia para controlar o NÃO _x emissões reagindo NO _x com amônia para formar nitrogênio inofensivo (N ₂ ) e água (H ₂ O).

p "É uma bela reação química, converter algo muito prejudicial em algo muito benigno, "diz Wachs, que dirige o Laborando de Pesquisa de Espectroscopia Molecular e Catálise Operando de Lehigh.

p As emissões de NOx agora são fortemente regulamentadas e uma estratégia comum de redução é a redução catalítica seletiva (SCR) de óxidos de nitrogênio pela amônia. Os catalisadores aceleram a reação SCR e controlam os produtos da reação (como a formação de N ₂ e H ₂ O), o que significa que o catalisador garante que a reação não produza gases prejudiciais indesejáveis ​​(portanto, "seletiva").

p Um catalisador SCR amplamente utilizado por usinas de energia é o óxido de vanádio suportado por titânia.

p "O catalisador consiste em óxido de vanádio e óxido de tungstênio disperso na superfície de um titânio (TiO ₂ ) Apoio, suporte. O óxido de vanádio é o componente ativo realizando a redução catalítica seletiva para N ₂ formação e não os produtos de reação indesejáveis ​​que podem ser tóxicos, "diz Wachs." Tem havido um grande debate na literatura há 40 anos, desde o início do desenvolvimento desta tecnologia, em torno da questão do que exatamente o componente de óxido de tungstênio faz? "

p A comunidade de pesquisa sabia por experiência própria que o óxido de tungstênio estabiliza termicamente o suporte de titânia, o que é vital, pois esses catalisadores podem passar anos em altas temperaturas durante a operação. Eles também sabiam que adicionar óxido de tungstênio torna o óxido de vanádio muito mais ativo, o que também é importante, pois quanto mais ativo um catalisador, menos você precisa dele. Mas por que o óxido de tungstênio teve tal efeito na reatividade do óxido de vanádio?

p Três teorias dominaram ao longo dos anos, diz Wachs. Um afirmou que o óxido de tungstênio tem um caráter ácido que aumenta a reação química. O segundo disse que o óxido de tungstênio estava de alguma forma compartilhando elétrons com o óxido de vanádio, e o terceiro afirmava que o óxido de tungstênio estava mudando a estrutura do óxido de vanádio.

p Wachs e seus colaboradores usaram um instrumento de ponta chamado espectrômetro de ressonância magnética nuclear (NMR) de alto campo (HF) em conjunto com estudos de reação para testar cada teoria.

p "Existem apenas alguns desses espectrômetros HF NMR no mundo, e seus campos magnéticos são tão sensíveis que dá todos os detalhes moleculares sutis do que estava acontecendo no material, " ele diz.

p Esses detalhes moleculares aparecem como sinais que Wachs e sua equipe então interpretaram usando cálculos teóricos (Teoria do Funcional da Densidade).

p "Acontece que a quantidade de óxido de vanádio é muito baixa no catalisador, fazendo com que o óxido de vanádio esteja presente como espécie isolada, ou monômeros, "diz Wachs." Quando você adiciona o óxido de tungstênio, óxido de vanádio muda de monômeros para oligômeros ou polímeros, então agora todo o óxido de vanádio está conectado como uma cadeia ou uma ilha no suporte de titânia. Realizamos estudos independentes e descobrimos que esses oligômeros de óxido de vanádio são 10 vezes mais ativos do que nos sítios isolados de óxido de vanádio. Então, o óxido de tungstênio realmente muda a estrutura do óxido de vanádio, de uma forma menos ativa para uma forma altamente ativa. "

p Esta compreensão fundamental de como funciona o catalisador ajudará a orientar projetos futuros de catalisadores SCR aprimorados, diz Wachs, recentemente eleito Fellow da National Academy of Inventors e reconhecido internacionalmente por suas contribuições inovadoras para a catálise fundamental que tem sido aplicada na fabricação de produtos químicos e no controle da poluição do ar.

p "Agora que sabemos o que está acontecendo, não será por tentativa e erro em termos de torná-lo melhor, já que adotamos uma abordagem científica para o projeto do catalisador. "

p E isso terá enormes ramificações para a indústria e o controle da poluição do ar, ele diz.

p "Um catalisador mais ativo traz benefícios significativos. Em primeiro lugar, esses sistemas são enormes, quase do tamanho de uma pequena casa, e muitas dessas plantas foram construídas antes que essa tecnologia fosse obrigatória, portanto, o espaço nas fábricas é limitado. Então, se você tiver um catalisador mais ativo, você precisa de uma pegada menor. Eles também são caros, então, se o catalisador é mais ativo, você não precisa de tanto. E finalmente, já que também achamos que eles vão durar mais, vai limitar a quantidade de tempo que uma planta tem para fechar para instalar um novo catalisador. "

p Mas para Wachs, o efeito na saúde pública é o resultado mais significativo - e gratificante.

p "Facilmente, 40, 000 a 50, 000 pessoas morrem anualmente nos Estados Unidos devido a complicações da má qualidade do ar. Então, catálise, e a pesquisa sobre isso, tem um tremendo impacto social. É muito gratificante quando você é capaz de resolver um problema que existe há 40 anos, que vai melhorar a tecnologia, e abordar esses problemas de saúde. "