Proces redukcji tlenków azotu za pomocą metody Selektywnej Redukcji Katalitycznej jest dzisiaj najbardziej efektywną metodą usuwania NOₓ z gazów odpadowych. Ze względu na ograniczone okno temperaturowe w jakim działają powszechnie stosowane w przemyśle układy katalityczne, wciąż poszukiwane są nowe, bardziej efektywne katalizatory. Również możliwość połączenia procesu deNOₓ wraz z procesem deN₂O wzbudza duże zainteresowanie naukowców.
Ze względu na obiecujące właściwości jako metale osadzone na zeolitach, zbadane zostały metale: Cu, Fe i Zn. Wykazały one zwiększenie okna temperaturowego w porównaniu do powszechnie stosowanych katalizatorów, zwiększenie stabilności a dzięki zastosowaniu zeolitów także zwiększenie termostabilności czy odporności chemicznej i hydrotermicznej. Dodatkowo wykazano, że badania teoretyczne układów katalitycznych może prowadzić do dogłębnego zrozumienia mechanizmu procesów deNOₓ i deN₂O.
W niniejszej pracy przedstawiony został szczegółowy mechanizm procesu deNOₓ i deN₂O dla trzech zeolitów – FAU, ZSM-5 i CLI z osadzonymi wewnątrz trzema różnymi dimerami Cu-O-Cu, Cu-O-Zn i Cu-O-Fe. Wykorzystano również wariant z częściowym uwodnieniem katalizatora (symulacja obecności wilgoci w środowisku reakcyjnym). Przedstawione analizy pozwoliły wytypować dwa układu efektywne w procesie deNOₓ i deN₂O oraz zrozumieć, który z etapów procesu jest limitujący. Następnie w celu lepszego zrozumienia zachowania wytypowanych układów katalitycznych przeprowadzono analizę populacyjną (rzędy i długości wiązań oraz ładunku na atomach) a także analizę orbitali molekularnych.
The process of reducing nitrogen oxides by Selective Catalytic Reduction is today the most efficient method of removing NOₓ from waste gases. Due to the limited temperature window in which commonly used catalytic systems in industry operate, new, more efficient catalysts are still being investigated. Also, the possibility of combining the deNOx process together with the deN₂O process is of great interest to researchers.
Due to their promising properties as metals deposited on zeolites, the metals Cu, Fe and Zn have been investigated. They have shown an increased temperature window compared to commonly used catalysts, increased stability and, by using zeolites, also increased thermostability or chemical and hydrothermal resistance. In addition, it was shown that theoretical studies of catalytic systems can lead to an in-depth understanding of the mechanism of deNOₓ and deN₂O processes.
In the present work, the detailed mechanism of the deNOₓ and deN₂O process is presented for three zeolites - FAU, ZSM-5 and CLI with three different Cu-O-Cu, Cu-O-Zn and Cu-O-Fe dimers embedded inside. A variant with partial hydration of the catalyst was also used (simulating the presence of moisture in the reaction medium). The analyses presented made it possible to select two systems effective in the deNOₓ and deN₂O process and to understand which process step is limiting. Subsequently, in order to better understand the behaviour of the selected catalytic systems, population analysis (bond orders and lengths and charge on atoms) and molecular orbital analysis were performed.
