光谱研究确定催化剂如何去除危险的氮氧化物

沸石类催化剂有助于去除工业排放中的有毒氮氧化物。保罗谢尔研究所 (PSI 的研究人员现在发现，沸石复杂的纳米多孔结构至关重要。具体来说，位于某些相邻孔隙中的单个铁原子相互通信，从而驱动所需的反应。

工业生产产生的气体对人类和环境都有害，因此必须防止其逸出。这些气体包括一氧化氮和一氧化二氮，后者也被称为笑气。例如，在制造肥料时，这两种气体可以同时产生。

为了从废气中去除这些物质，各公司使用基于沸石的催化剂。保罗谢尔研究所 (PSI 的研究人员与瑞士化学公司 CASALE SA 合作，现已研究出这些催化剂如何使这两种氮氧化物的混合物变得无害的细节。

他们的研究成果发表在《自然催化》杂志上，为未来如何改进催化剂提供了线索。

整个铁物种动物园

“总部位于卢加诺的 CASALE 公司联系我们，因为他们希望更好地了解他们用于减少氮氧化物的催化剂的实际工作原理，”PSI 能源与环境科学中心应用催化和光谱研究小组负责人 Davide Ferri 说。

用于此目的的沸石由铝、氧和硅原子组成，形成一种骨架。沸石天然存在——例如作为岩层中的矿物——也可以合成制造。化学工业中使用的许多催化剂都是基于这些化合物，根据具体应用，在基本结构中添加其他元素。

当沸石骨架还含有铁作为活性物质时，它能够将两种氮氧化物——一氧化氮 (NO 和一氧化二氮 (N 2 O 转化为无害分子。“然而，这些铁原子可以位于沸石骨架的许多不同位置，并且可以具有各种形式，”Ferri 团队的成员 Filippo Buttignol 说。他是这项新研究的主要作者，这项研究是他博士论文的一部分。

“铁可以以单个原子的形式存在于沸石的小空间中，或者几个铁原子可以结合在一起，并与氧原子一起存在于规则晶格中稍大的空间中，形成双原子、多原子或多原子簇。”简而言之，催化剂包含各种不同的铁物种。“我们想知道这些铁物种中的哪一个实际上负责氮氧化物的催化。”

专门从事光谱分析的研究人员清楚地知道需要进行哪三种实验来回答这个问题。他们在沸石样品中发生催化反应时进行了这些实验。

首先，他们使用 PSI 的瑞士光源 SLS 通过 X 射线吸收光谱分析该过程。“这使我们能够同时观察所有铁物种，”Buttignol 解释道。

接下来，他们与苏黎世联邦理工学院合作，利用电子顺磁共振光谱法确定每种物质的贡献。最后——同样在 PSI——科学家们利用红外光谱法确定不同铁物质的分子特征。

催化发生在单个但有交流的原子上

这三种方法各自为谜题提供了一小块拼图，最终得出了以下整体图景：催化作用发生在位于沸石晶格两个非常特殊的相邻位置的单个铁原子上。在此过程中，这两个铁原子相互协同作用。

其中一个位于沸石中排列成正方形的四个氧原子的中心，专门负责转化一氧化二氮，它与另一个铁原子相通，该铁原子被排列成四面体形状的氧原子所包围，一氧化二氮在此发生反应。

布蒂诺尔说：“只有在这种精确排列的地方，我们才能看到铁对两种气体同时减排的催化作用。”每个铁原子都会放弃一个电子，然后再拿回来，换句话说，催化的典型氧化还原反应在那里反复发生。

更有效地去除有害氮氧化物

费里总结道：“如果你确切知道化学反应发生的地点，你就可以开始相应地调整催化剂的制造。”

一氧化氮和一氧化二氮的催化作用以及从工业废气中去除它们非常重要，因为这两种气体对人体都有毒。除此之外，这两种气体对环境也有害：一氧化氮是酸雨的成因之一，而一氧化二氮对气候的影响非常大，以至于一氧化二氮分子对温室效应的贡献几乎是二氧化碳分子的 300 倍。