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Sep 02, 2023

Formazione di N2O soppressa durante la riduzione catalitica selettiva di NH3 utilizzando vanadio su TiO2 microporoso zeolitico

Scientific Reports volume 5,

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 12702 (2015) Citare questo articolo

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Le emissioni di N2O dai motori mobili e fuoristrada sono attualmente regolamentate a causa del loro elevato impatto rispetto a quello della CO2, il che implica che la formazione di N2O dal sistema di post-trattamento dei gas di scarico dovrebbe essere soppressa. La riduzione catalitica selettiva utilizzando un catalizzatore TiO2 supportato da vanadio nei motori mobili e fuoristrada è stata considerata la principale fonte di emissioni di N2O nel sistema. Qui abbiamo dimostrato che il catalizzatore al vanadio supportato su TiO2 microporoso zeolitico ottenuto dalla reazione idrotermale di TiO2 sfuso a 400 K in presenza di LiOH sopprime significativamente l'emissione di N2O rispetto al catalizzatore VOx/TiO2 convenzionale, pur mantenendo l'eccellente riduzione di NOx, che era attribuito alla posizione del dominio VOx nel microporo di TiO2, con conseguente forte interazione del supporto metallico. L'uso di TiO2 microporoso zeolitico fornisce un nuovo modo di preparare il catalizzatore SCR con un'elevata stabilità termica e prestazioni catalitiche superiori. Può anche essere ulteriormente esteso all'altro sistema catalitico che impiega substrato a base di TiO2.

La domanda sempre crescente di riduzione dei gas serra si traduce in una regolamentazione più severa sulle loro emissioni e anche nella corrispondente ricerca e sviluppo per catturare o convertire in molecole inerti1. Rispetto a quello di una grande serra, la CO2, l'N2O ha un effetto serra fino a 300 volte maggiore2. Pertanto, l’impatto delle emissioni di N2O può essere paragonabile a quello della CO2 sebbene la concentrazione delle emissioni di N2O sia relativamente bassa. La più recente regolamentazione sulle emissioni dei motori diesel ha iniziato ora a includere l’N2O a causa del suo elevato impatto e della sua stabilità nella stratosfera3. Per il controllo delle emissioni dei motori diesel in condizioni magre, il sistema SCR (riduzione catalitica selettiva) dell'urea è la tecnologia all'avanguardia per la riduzione degli NOx nella maggior parte delle aziende produttrici di motori4. In condizioni magre in cui il rapporto aria/carburante è ben oltre la condizione stechiometrica, la formazione di N2O può essere facilmente soppressa mentre il sistema è stato mantenuto in condizioni ossidanti. Tuttavia, l'emissione di N2O dal motore diesel può essere aumentata quando l'agente riducente per NOx viene introdotto nel sistema SCR seguendo le reazioni, come 2NH3 + 2NO + O2 = N2O + N2 + 3H2O, 2NH3 + 2O2 = N2O + 3H2O e NH4NO3 = N2O + 2H2O3. Si credeva che le prime due reazioni fossero la via principale per la formazione di N2O in cui può verificarsi una reazione bimolecolare.

Per l’abbattimento degli NOx, il catalizzatore VOx supportato su TiO2 è stato ampiamente utilizzato nella maggior parte dei motori diesel5,6,7,8. Esistono numerosi studi sul miglioramento delle prestazioni catalitiche utilizzando additivi come Ce o W e anche utilizzando peculiari TiO2 sintetizzati utilizzando il metodo sol-gel o il metodo di templating organico o inorganico9,10,11,12,13,14,15. Tuttavia, i VOx supportati su TiO2 con un'area superficiale relativamente bassa rappresentano il catalizzatore tecnologico all'avanguardia. Infatti l'attuale catalizzatore VOx/TiO2 emette N2O quando l'agente riducente è presente nel flusso. L'attuale livello di emissioni di N2O è di 50 mg per miglio, che dipende anche dalla composizione del catalizzatore e dalla configurazione del sistema come catalizzatore di ossidazione diesel, riduzione catalitica selettiva e filtro antiparticolato diesel3. Le caratteristiche di emissione di N2O del catalizzatore VOx/TiO2 dovrebbero essere migliorate in condizioni riducenti. A questo scopo è necessario sviluppare nel prossimo futuro un catalizzatore economicamente sostenibile.

È stato dimostrato che la conversione idrotermale del TiO2 disponibile in commercio in presenza di idrossido alcalino produce strutture uniche di TiO2 in modo diverso a seconda della specie di idrossido alcalino16,17,18,19. Recentemente, è stato riportato che l'aggiunta di LiOH, NaOH e KOH al mezzo idrotermale ha portato alla formazione di TiO2 microporoso zeolitico, nanotubi e nanorod, rispettivamente19,20,21, che sembra essere un processo economicamente vantaggioso. Il TiO2 nanocristallino microporoso ottenuto mostrava un'ampia area superficiale di 250 m2g−1 con un volume dei pori di 0,15–0,20 ccg−1, che era simile a quelli delle zeoliti e adatto anche per la preparazione del catalizzatore.