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Aug 14, 2023

Sintesi meccanochimica dell'allumina

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21294 (2022) Citare questo articolo

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Nuovi materiali a base di allumina arricchiti con vanadia e lanthana sono stati sintetizzati con successo tramite modifica in situ utilizzando un metodo meccanochimico e sono stati applicati nella riduzione catalitica selettiva degli ossidi di azoto indotta dall'ammoniaca (processo SCR). La sintesi è stata ottimizzata in termini di tempo di macinazione a palle (3 o 5 ore), contenuto di vanadio (0,5, 1 o 2% in peso nel prodotto finale) e contenuto di lantanio (0,5 o 1% in peso nel prodotto finale). L'ossido di vanadio (V) è stato immobilizzato su un supporto di allumina per fornire attività catalitica, mentre è stato introdotto il lanthana per aumentare l'affinità degli ossidi di azoto e creare siti di adsorbimento più attivi. La sintesi meccanochimica ha prodotto con successo materiali mesoporosi con un'ampia area superficiale specifica di 279–337 m2/g e un ampio intervallo di potenziale elettrocinetico da 60 a (−40) mV. I test catalitici hanno dimostrato che l'incorporazione di vanadia ha comportato un notevole miglioramento delle prestazioni catalitiche rispetto all'allumina pura, aumentandone l'efficienza dal 14 al 63% a 400 °C. La migliore prestazione SCR, un tasso di conversione dell'ossido di azoto del 75% a una temperatura di 450 °C, è stata ottenuta per l'allumina arricchita rispettivamente con il 2 e lo 0,5% in peso di vanadio e lantanio, il che può essere considerato un risultato promettente.

L'elevato livello di inquinamento da ossidi di azoto ha un innegabile impatto negativo sull'ambiente e sulla salute pubblica, che porta a un inasprimento delle norme sulla loro emissione1,2,3. Gli ossidi di azoto, o NOx (ad esempio NO, NO2, N2O), sono emessi da fonti fisse (come le centrali termoelettriche) e da fonti mobili (come gli scarichi dei veicoli), fornendo un contributo significativo alle piogge acide, allo smog fotochimico e riduzione dello strato di ozono4. La riduzione catalitica selettiva (SCR) è un processo promettente per ridurre i livelli di inquinamento da NOx. Attualmente, l’SCR è ampiamente utilizzato nelle caldaie, nei forni e in altre apparecchiature industriali alimentate a carbone delle centrali elettriche, essendo la migliore tecnologia commerciale, in termini di efficienza5, selettività ed economia, per controllare le emissioni di NOx da fonti stazionarie6. Inoltre, la riduzione catalitica selettiva degli NOx con NH3 (NH3-SCR) è considerata una delle tecnologie più efficaci per la rimozione degli NOx dai motori diesel7. Nel corso degli anni sono stati utilizzati vari catalizzatori nell’SCR-NOx. Questi materiali possono essere suddivisi in tre gruppi principali: (i) catalizzatori di ossido a base di V, (ii) catalizzatori di zeolite Cu o Fe e (iii) catalizzatori di ossido privi di vanadio. A causa della loro elevata attività di riduzione degli NOx, vengono spesso utilizzati catalizzatori a base di ossido contenenti vanadio, in particolare V2O5-WO3/TiO2 e V2O5-MoO3/TiO2 commerciali8,9,10. Tuttavia, presentano alcuni inconvenienti, tra cui una bassa resistenza all’avvelenamento da SO2 e H2O e un intervallo di temperature operative ristretto (300–400 °C) nel caso di NH3-SCR11. È ampiamente noto che i catalizzatori contenenti vanadio supportati su allumina, a temperature prossime a 400 °C e a basse concentrazioni di SO2 (come si riscontra in molti gas di combustione), mostrano un'elevata resistenza alla disattivazione per avvelenamento da SO212,13,14. A causa della presenza di composti dello zolfo (principalmente ossidi di zolfo, SOx) in tutti i flussi di gas contenenti NOx, questa caratteristica è estremamente importante nel controllo dell'inquinamento atmosferico11. Inoltre, l'uso di un supporto altamente mesoporoso può comportare un aumento dell'area superficiale, che può portare a un numero maggiore di siti attivi, consentendo una maggiore dispersione del vanadia e migliorando l'attività catalitica complessiva. Miyamoto et al. hanno affermato che l'ammoniaca è fortemente adsorbita adiacente ai siti V = O come NH4+ e che la velocità di reazione è direttamente proporzionale al numero di legami superficiali V = O15. Per migliorare la capacità di adsorbimento di NH3, il materiale Al2O3–vanadia riportato in questo studio è stato modificato introducendo lantana durante la sintesi. I catalizzatori SCR sono stati precedentemente modificati con composti di La. Nel caso della decomposizione dell'acido formico in condizioni rilevanti per l'SCR, l'aggiunta di una piccola quantità di lantana al catalizzatore ha portato ad un effetto promozionale indotto dalla base16. L'effetto promozionale di un reagente basico in fase gassosa (ammoniaca) sull'attività di decomposizione dell'acido formico è stato ottenuto cataliticamente17,18. Inoltre, è stato riportato che il lantana causa un miglioramento sostanziale nella capacità di adsorbimento di vari materiali19, il che può essere utile nel caso di NH3–SCR. Questo fenomeno è dovuto alla configurazione elettronica di La, il che significa che i suoi ioni possono reagire con gruppi funzionali degli acidi di Lewis20.