Catálisis en una jaula: especiación dependiente de las condiciones y dinámica de los cationes intercambiados en las...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Catálisis
• Química Física

Sus antecedentes:

• La reducción catalítica selectiva de NOx con amoníaco es crucial para el control de las emisiones.
• Las zeolitas intercambiadas con cobre, como SSZ-13, son catalizadores SCR efectivos, pero las relaciones estructura-actividad requieren una comprensión más profunda.
• Comprender el papel de los sitios activos de cobre y su distribución dentro del marco de la zeolita es esencial para la optimización del catalizador.

Objetivo del estudio:

• Establecer relaciones entre los parámetros macroscópicos de composición, las características del sitio activo del cobre y la actividad de la SCR en los catalizadores Cu-SSZ-13.
• Aclarar la ubicación preferente de los iones de cobre dentro del marco SSZ-13 basado en la distribución del aluminio.
• Investigar el comportamiento y la reactividad de los sitios de cobre en condiciones de SCR utilizando métodos experimentales y computacionales combinados.

Principales métodos:

• Síntesis y caracterización de catalizadores SSZ-13 intercambiados por Cu a través de diferentes relaciones de Si: Al.
• Técnicas experimentales que incluyen espectroscopia vibratoria, espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) y titulaciones químicas para la enumeración del sitio.
• Los métodos computacionales como la Teoría Funcional de Densidad (DFT), el modelado estocástico, la termodinámica de primeros principios y la dinámica molecular ab initio.

Principales resultados:

• La distribución del aluminio en SSZ-13 sigue la regla de Löwenstein, con una población significativa de anillos de seis miembros que contienen dos sitios de aluminio (2Al).
• Los iones intercambiados de Cu (II) ocupan preferentemente estos sitios de 2Al, seguidos de sitios de 1Al no apareados, formando especies de Cu (II) OH.
• In situ/operando XAS reveló que los sitios de Cu son solvados y movilizados por el amoníaco en condiciones de SCR, lo que lleva a un rendimiento catalítico similar a pesar de las diferencias iniciales del sitio.

Conclusiones:

• La distribución del aluminio y la especiación del sitio activo de cobre resultante influyen significativamente en el comportamiento del catalizador.
• Los sitios de cobre, aunque espectroscópicamente y químicamente distintos bajo diversas condiciones, exhiben una reactividad similar bajo catálisis de SCR a baja temperatura.
• Estos hallazgos proporcionan información fundamental sobre la catálisis de Cu-SSZ-13, aplicable a otras estructuras de zeolita y reacciones de SCR.