 |
DeNOx reactions over synthetic chabazite (SSZ-13) catalysts
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
115898 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Solt, Hanna |
| Title in Hungarian |
DeNOx reakciók szintetikus kabazit (SSZ-13) katalizátorokon |
| Title in English |
DeNOx reactions over synthetic chabazite (SSZ-13) catalysts |
| Keywords in Hungarian |
heterogén katalízis, deNOx, operando FTIR, SSZ-13 |
| Keywords in English |
heterogeneous catalysis, deNOx, operando FTIR, SSZ-13 |
| Discipline |
| Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Institute of Materials and Environmental Chemistry (Research Center of Natural Sciences) |
| Starting date |
2015-09-01 |
| Closing date |
2019-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
22.149 |
| FTE (full time equivalent) |
4.00 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az utóbbi két évtizedben sok munkát fordítottak a nitrogén-oxid szelektív katalitikus redukciójára (NO-SCR) alkalmas katalizátorok kifejlesztésére. Különböző redukáló gázok kerültek alkalmazásra, például H2, CO, NH3 valamint szénhidrogének, köztük metán. A metánnal végzett NO-SCR reakció jelenti az egyik legnagyobb kihívást a metán nehéz katalitikus aktiválása miatt. Az utóbbi években a kutatás középpontjába a réztartalmú szintetikus kabazit (SSZ-13) katalizátorok kerültek, amelyek nagy hidrotermális stabilitást, aktivitást és szelektivitást mutatnak az ammóniával végzett NO-SCR reakcióban. Az NO-SCR reakciót SSZ-13 katalizátorokon metánnal még nem vizsgálták.
Jelen kutatási projekt a metánnal végzett NO-SCR reakció szerkezet-aktivitás összefüggéseinek és reakciómechanizmusának feltárását célozza átmenetifémet /-fémeket (pl. Cu, Co, In) és/vagy nemesfémeket tartalmazó kabazit katalizátorokon. Kabazit katalizátorokat kívánunk előállítani különböző Si/Al aránnyal. Egy- és kétfémes SSZ-13 katalizátorokat tervezünk készíteni és vizsgálni. Tanulmányozni kívánjuk (1) az összefüggéseket az SSZ-13 katalizátorok előállítási módja, összetétele és fizikai-kémiai tulajdonságai között, a hidrotermális stabilitásra fókuszálva, (2) a katalizátorok aktivitását a metánnal végzett NO-SCR reakcióban, (3) a reaktánsok és a katalizátor felülete közötti kölcsönhatást, (4) a katalitikusan aktív helyek természetét és szerepét, (5) egy második fém hatását a katalitikus aktivitásra. A megszerzett ismeretek hozzájárulnak a metánnal végzett NO-SCR reakcióban aktív, szelektív és hidrotermálisan stabilis katalizátorok fejlesztéséhez.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az NO szelektív katalitikus redukciójában az NO egy redukálószerrel reagál oxigénfelesleg jelenlétében. Az oxigén NOx alakulatok keletkezését idézheti elő, melyek közül néhány aktiválódni tud a reakcióhoz, valószínűleg a katalizátor savas és átmenetifém helyeihez kötött alakulat formájában. Az NO-SCR reakció döntő lépése a metán aktiválása az NO-val való reakcióhoz (az O2-vel való reakcióhoz pedig nem), aktivált felületi NOx alakulatok bevonásával. A kutatási terv hipotézise, hogy az NO és a metán könnyebben aktiválódik a reakcióhoz a szintetikus kabazit SSZ-13 szűk, 8 tagú gyűrűs csatornájának erős elektrosztatikus terében, mint a korábban vizsgált zeolitok mikropórusaiban, melyeknek 10 illetve 12 és 8 tagú gyűrűs csatornái vannak (ZSM-5 illetve mordenit). Ha ez igaz, akkor a nagy hidrotermális stabilitású SSZ-13 katalizátor ígéretes jelölt, hogy katalitikus megoldást nyújtson a földgáztüzelésű erőművek és kazánok NO kibocsátása által okozott problémákra.
A projekt során megválaszolandó főbb kérdések a következők:
-Hogyan függnek a fizikai-kémiai tulajdonságok, mint például Si/Al arány a zeolitvázban, a fémionok elhelyezkedése a zeolit szerkezetében, savasság a katalizátor kémiai összetételétől?
-Milyen összefüggések vannak a katalizátor szerkezete és aktivitása / szelektivitása / hidrotermális stabilitása között?
-A feltárt szerkezet-aktivitás összefüggések és katalitikus mechanizmus fényében mely katalitikus funkciót/funkciókat kell fejleszteni ahhoz, hogy aktívabb és szelektívebb katalizátort kapjunk?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az ún. álló források, például erőművek füstgázából jelenleg V2O5/TiO2-alapú katalizátorokon ammónia redukálószerrel végzett szelektív katalitikus redukcióval (SCR) távolítják el a nitrogén-oxidokat. Ennek a technikának a hátránya a redukálószer korrozivitása, toxicitása és viszonylag nagy ára, valamint az ammónia légköri kibocsátásának a veszélye. A földgáztüzelésű erőműveknél a legkedvezőbb eljárás az NOx SCR reakció az olcsó és bőven rendelkezésre álló metánnal (CH4/NO-SCR) az NOx N2-vé alakítására. A katalizátort illetőleg kihívást jelent a viszonylag stabilis metán aktiválása a reakcióhoz. Az NO szelektív redukálása is nehéz, mivel a füstgáz egy másik oxidálószert, O2-t is tartalmaz nagy feleslegben. Az ipari alkalmazáshoz szükséges követelményeknek eleget tevő katalizátor jelenleg nem ismert.
A javasolt kutatási projekt átmenetifém tartalmú SSZ-13 katalizátorok jellemzését szolgálja a metánnal végzett NO-SCR reakcióban. Ennek a katalizátorcsaládnak a tagjai kimagasló hidrotermális stabilitást, aktivitást és szelektivitást mutatnak az ammóniával végzett NO-SCR reakcióban. Ismereteink szerint ezeket a katalizátorokat CH4/NO-SCR reakcióban még nem vizsgálták. A katalizátorok részletes jellemzése következtetésekkel szolgál az előállítási paraméterek és a katalizátor fizikai-kémiai tulajdonságai közötti összefüggésekről; valamint a katalizátor szerkezeti tulajdonságai és az aktivitása, szelektivitása és hidrotermális stabilitása közötti összefüggésekről. Különösen az operando vizsgálatok eredményei nyújtanak segítséget a reakciómechanizmus jobb megismeréséhez és végül a CH4/NO-SCR reakcióban hatékonyabb katalizátor fejlesztéséhez. A megszerzett ismeretek hasznosak lehetnek más redukálószerrel végzett deNOx eljárások valamint az átmenetifém tartalmú SSZ-13 zeolitok más katalitikus alkalmazásának fejlesztéséhez. A kutatásnak jelentős környezeti és ennél fogva társadalmi kihatása lehet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nitrogén-oxidok (NOx) légköri emissziójának csökkentése fontos környezetvédelmi feladat, amelyre a Göteborgi és Kiotói Jegyzőkönyvet aláíró országok kötelezettséget vállaltak. A nitrogén-oxidok (NO, NO2) a savas eső és szmog kialakulásához, míg a dinitrogén-oxid (N2O) a globális felmelegedéshez és az ózonréteg elvékonyodásához járul hozzá. Az ún. álló források, például erőművek füstgázából a nitrogén-oxidokat jelenleg szelektív katalitikus redukcióval (SCR) távolítják el V2O5/TiO2-alapú katalizátorokon ammónia redukálószerrel. A szelektív NO redukciót nehézzé teszi, hogy a füstgáz egy másik oxidáló komponenst, O2-t is tartalmaz nagy feleslegben. Az elmúlt két évtizedben jelentős kutatások folytak olyan SCR eljárás kifejlesztésére, melyben szénhidrogéneket használnak az NOx redukciójára. A földgáztüzelésű erőművek füstgázának tisztítására a legkedvezőbb eljárás az SCR olcsó és bőven rendelkezésre álló metánnal. Kihívást jelent a katalizátort illetőleg a viszonylag stabilis metán aktiválása a reakcióhoz. Aktívabb, szelektívebb és stabilis katalizátor kivitelezését célzó további katalizátorfejlesztésre van szükség ehhez a reakcióhoz. Az utóbbi 4 évben az Egyesült Államokban és Európában réz tartalmú kabazit katalizátorok (Cu-SSZ-13) alkalmazásba kerültek a Diesel-üzemű gépjárművek kipufogó gázát szabályozó rendszerekben. A jelen kutatási projekt átmenetifém tartalmú SSZ-13 katalizátorok előállítására, tesztelésére és módosítására irányul a CH4/NO-SCR reakcióhoz. A reakciómechanizmus tisztázása kijelölheti az irányt a fejlesztésnek, amely révén az ipari eljárás követelményeit teljesítő katalizátort kapunk.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
During the last two decades much work has been devoted to the development of catalysts for selective catalytic reduction of nitrogen oxide (NO-SCR). Various reducing gases, such as, H2, CO, NH3, and hydrocarbons, including methane, were used. The NO-SCR by methane is one of the greatest challenges because of the difficult catalytic methane activation. In recent years research focused on copper containing synthetic chabazite (SSZ-13) catalyst showing high hydrothermal stability, activity, and selectivity in the NO-SCR reaction with ammonia. The NO-SCR reaction over SSZ-13 catalyst by methane has not been studied yet.
The proposed research aims the evaluation of structure-activity relationships and reaction mechanism of NO-SCR by methane over chabazite catalysts, containing transition metal(s), such as, Cu, Co, In and/or noble metals. Zeolite SSZ-13 will be synthesized with different Si/Al ratios. Mono and bimetallic SSZ-13 catalysts will be prepared and examined. The following issues will be studied: (1) the relations between the preparation method, composition, and physical-chemical properties of SSZ-13 catalysts, focusing on the hydrothermal stability, (2) the activity of the catalysts in the NO-SCR by methane, (3) the interaction between the reactants and the catalyst surface, (4) the nature and role of the catalytically active sites, (5) the effect of a second metal on the catalytic activity.
The obtained fundamental knowledge contributes to the development of active, selective, and hydrothermally stable catalysts for the NO-SCR by methane.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The selective catalytic reduction of NO involves reaction of NO and a reducing agent in the presence of excess oxygen. Oxygen can generate NOx species, some of which can be activated for reaction probably in the form of species bound to acidic and transition metal sites of the catalyst. The crucial step of the NO-SCR reaction is the activation of CH4 for the reaction with NO (and not with O2), with involvement of activated surface NOx species. The hypothesis of the proposal is that NO and CH4 are more prone to become activated for reaction in the strong electrostatic field of narrow, 8-member ring channels of the synthetic chabazite SSZ-13 than in the micropores of the zeolites, studied before, having 10- or 8- and 12-member ring channels, such as, ZSM-5 and mordenite, respectively. If so than the SSZ-13 catalyst, having high hydrothermal stability is a promising candidate to provide catalytic solution for the problems, caused by the NO emission of natural gas fired combustion plants.
The key questions to be answered in the project are the followings:
-How the physical-chemical properties, such as, Si/Al ratio in the zeolite framework, location of the metal ions in the zeolite structure, acidity, depend on the chemical composition of the catalyst?
-What are the relationships between the structure and activity/selectivity/hydrothermal stability of the catalyst?
-What is the role of the active sites and the surface species, obtained from the reaction, in the NO conversion process?
-In the light of the clarified structure-activity relationships and catalytic mechanism, what catalytic function(s) should be improved to get more active and selective catalyst?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Nitrogen oxides in the exhaust gases of stationary combustion sources, such as power stations are now removed by selective catalytic reduction (SCR) by ammonia as reducing agent, applying V2O5/TiO2 catalysts. The drawback of this technique is the corrosiveness, toxicity, and relatively high cost of the reducing agent and the risk of ammonia emission. In those power plants where methane is used as fuel the most favorable process is the SCR of NOx using cheap and abundantly available methane (CH4/NO-SCR) for reducing NOx to N2. However, the activation of the relatively stable methane for the reaction is demanding as regards the catalyst. Also the selective reduction of NO is difficult since the emission contains another oxidizing component, O2 in large excess. A catalyst that would meet the requirements for industrial application is not known yet.
The proposed research project can provide the evaluation of the catalytic behavior of the transition metal containing SSZ-13 catalysts in the NO-SCR reaction by methane. Members of this catalyst family have outstanding hydrothermal stability, activity, and selectivity in NO-SCR reaction with ammonia. To our knowledge, these catalysts have not been studied in CH4/NO-SCR reaction yet. Detailed characterization of the catalyst provides conclusions about the relationship between the synthesis parameters and the physical-chemical properties of the catalysts; also about the relationship between the structural properties and the catalytic activity, selectivity and hydrothermal stability of the catalysts. Especially the results of the operando investigations can help us to learn more about the reaction mechanism and finally to develop more effective catalysts for the CH4/NO-SCR reaction. The obtained fundamental knowledge might be useful also for the development of deNOx technologies with other reducing agents, and also for other catalytic application of transition metal containing SSZ-13 catalysts. The research may be of significant environmental and, thereby, societal impact.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
An important objective of the countries, signing the Gothenburg and Kyoto Protocols, is to protect the environment from the emission of nitrogen oxides (NOx) into the atmosphere. Nitrogen oxides (NO, NO2) contribute to the formation of acid rain and smog, while nitrous oxide (N2O) contributes to global warming and the depletion of the ozone layer. From the exhaust gases of stationary combustion sources, such as power stations, nitrogen oxides are now removed by selective catalytic reduction (SCR) over V2O5/TiO2 catalysts using ammonia as reducing agent. The selective reduction of NO is difficult since the emission contains another oxidizing agent, O2 in large excess. During the last two decades many works have been performed to develop SCR process using hydrocarbons for NOx reduction. In those power plants where natural gas is used as fuel the most favorable process for cleaning the emission is the SCR using cheap and abundantly available methane. However, the activation of the relatively stable methane for the reaction is demanding as regards the catalyst. Catalyst development, which aims the design of more active, selective, and stable catalysts, is still needed for this reaction. In the last 4 years, copper containing chabazite catalysts (Cu-SSZ-13) have been implemented as part of the emission control systems for diesel vehicles in the U.S. and Europe. The present research relates to the synthesis, testing and modification of transition metal containing SSZ-13 catalysts for CH4/NO-SCR reaction. Understanding the mechanism of the reaction can direct the development to obtain catalyst, meeting industrial process requirements.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
