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2024-10-10 09:31:00
ポール・シェラー研究所
Villigen、2024 年 10 月 10 日 – いわゆるゼオライト触媒は、産業ガスから有毒な窒素酸化物を除去するのに役立ちます。ポール・シェラー研究所PSIの科学者らは、ナノメートルサイズの細孔が散在する鉄原子の複雑な構造が、鉄原子が触媒機能を発揮できるようにする決定的な要因であることを発見した。つまり、隣接する細孔に位置する孤立した鉄原子がそれらの間で通信し、目的の反応を引き起こすのである。 。
産業は人間や環境に有害なガスを排出しますが、これらは大気中に放出できません。これらには、一酸化窒素や笑気ガスとしても知られる亜酸化窒素が含まれます。これらは、たとえば肥料を作るときに一緒に現れることがあります。産業ガスからそれらを除去するために、関係する企業は、いわゆるゼオライトをベースにした触媒を使用しています。スイスの化学会社 CASALE SA と協力して、ポール シェラー研究所 PSI の科学者たちは、これらの触媒がこれら 2 つの窒素酸化物の組み合わせをどのように中和するかを正確に特定しました。彼らの研究結果は専門誌に掲載されました 自然触媒作用 そして、触媒が将来どのように改良されるかについての手がかりを提供します。
鉄種の動物園全体
「ルガノに本社を置く CASALE 社が、窒素酸化物を除去する触媒がどのように機能するかをより深く理解したいと考えて当社に連絡してきました」と、応用触媒研究グループの責任者である Davide Ferri 氏は述べています。 PSI エネルギー・環境科学センターの分光分析。これらの触媒に用いられるゼオライトは、その骨格がアルミニウム、酸素、ケイ素原子から構成される化合物です。ゼオライトは、岩層中の鉱物などとして天然に存在するか、合成的に製造されます。工業的に使用される触媒の多くはこれらの化合物をベースとしていますが、用途に応じて、その基本構造に他の元素が追加されます。
2 つの窒素酸化物、一酸化窒素 (NO) と亜酸化窒素 (N2O) を無害な分子に変えるために、ゼオライトの構造には鉄が含まれています。 「しかし、この鉄は、ゼオライト構造のさまざまなサイズの細孔に、考えられるあらゆる形で堆積します」と、ダヴィデ・フェリ率いるグループの研究者フィリッポ・ブティニョールは説明する。彼は新しい研究の筆頭著者であり、この文脈で博士論文を執筆しました。 「鉄はゼオライトの小さな隙間に孤立した原子の形で堆積する可能性があります」と彼は続けます。あるいは、いくつかの鉄原子が酸素原子と化学結合を形成し、二原子、多原子、または多原子クラスターの形で規則的な格子のわずかに大きな空洞を占めることもあります。つまり、触媒にはさまざまな鉄化合物がすべて含まれているのです。 「私たちは、これらのさまざまな鉄種のどれが実際に化学変化、つまり窒素酸化物の除去に関与しているのかを特定したかったのです」と彼は言います。
これらの研究者は分光分析の専門家であり、答えを見つけるには 3 種類の実験を実施する必要があることを知っていました。毎回、彼らはゼオライトサンプルの触媒反応の過程でそれらを実施しました。彼らは、PSI で X 線吸収分光法と呼ばれる分析にスイス光源 SLS を初めて使用しました。 「これにより、すべての鉄種の総合的な触媒効果を測定することができました」とフィリッポ・ブティニョール氏は説明します。次に、チューリッヒ工科大学と共同で電子スピン共鳴法を使用し、さまざまな鉄種の寄与を分解することが可能になりました。最後に、まだ PSI にいた科学者たちは、赤外分光法を使用して、存在するさまざまな鉄種の分子の外観を決定することができました。
触媒作用は、互いに通信する孤立した原子のレベルで発生します。
これら 3 つの方法のそれぞれがパズルのピースを提供し、最終的な全体像を得ることができました。つまり、触媒作用は、ゼオライトの 2 つの非常に特殊なタイプの細孔に存在する、孤立した鉄原子のレベルで発生します。周期構造の隣接する細孔に位置する 2 つの鉄原子が共同して作用します。そのうちの 1 つはゼオライトの酸素原子で構成された正方形の配置の中心に位置しており、亜酸化窒素の触媒作用が起こるのはこのレベルです。この原子は、酸素の四面体配置に囲まれた別の鉄原子と連絡しており、そこで NO が反応します。
「2つのガスの化学的除去に対する鉄の寄与が見られるのは、この正確な星座においてのみです」とフィリッポ・ブティニョールは結論づけています。これらの鉄原子はそれぞれ、電子を取り戻す前に電子を放出します。言い換えれば、まさに彼らのレベルで、触媒作用に典型的な酸化還元反応が何度も繰り返し起こったのです。この動作モードは触媒の特徴であり、触媒は磨耗したり永久に変化したりすることはありませんが、元の化学状態に何度も戻るため、少なくとも理論的には無限の寿命を持ちます。 。
危険な窒素酸化物を効果的に除去します
Davide Ferri 氏は、新しい研究の重要性を次のように要約しています。「化学反応が起こる場所を正確に知ることで、それに応じて触媒の製造を制御できるようになります」と強調します。
これらのガスは人体に有毒であるため、触媒作用、およびそれを利用した工業ガスからの一酸化窒素および亜酸化窒素の除去は重要です。これらは環境にも有害です。一酸化窒素は酸性雨の原因ですが、亜酸化窒素は気候に大きな影響を及ぼし、単一分子が二酸化炭素分子のほぼ 300 倍も温室効果に寄与しています。
文: Paul Scherrer Institute PSI/Laura Hennemann
専門用語の解説
触媒： 化学反応を可能にする材料。それがなければ、この化学反応を達成することははるかに困難になります。触媒材料では、個々の原子または原子の化合物は、ある化学状態から別の化学状態に変化しますが (「酸化還元反応」を参照)、常に初期状態に戻ります。したがって、触媒は使用によって消費されたり、永続的に変化したりすることはありません。
分光法: 分光分析では、可視光または電磁スペクトルの別の部分が使用されます。これには、人間には目に見えない光の成分、つまり紫外線や赤外線だけでなく、X線、マイクロ波、その他のスペクトル領域も含まれます。分析手法にはさまざまなものがあり、それぞれ詳細が異なります。それらに共通しているのは、光がサンプルと相互作用し、その応答によってサンプルの特定の側面や特性に関する情報が得られるということです。
X 線吸収分光法 (XAS): この具体的な分光分析にはX線系の光が用いられます。サンプルは X 線スペクトルのさまざまな部分を吸収するため、科学者はサンプルについて結論を導き出すことができます。
電子スピン共鳴: サンプルは磁場にさらされ、同時にマイクロ波放射が照射されます。
赤外分光法: 光スペクトルの赤外領域により、分子の振動や回転を励起することができます。したがって、赤外分光法は、既知の物質を定量的に決定したり、未知の物質の構造を解明したりするために使用できます。
四面体: 四面体は、底面と他の 3 つの面が三角形であるピラミッドです。
酸化還元反応: 酸化還元反応という用語は、還元酸化反応を指します。酸化還元反応中、還元剤と酸化剤という 2 つの化学物質が電子を交換します。前者は電子を放出し、後者は電子を吸収します。
PSIについて
ポール シェラー研究所 PSI は、大規模で複雑な研究施設を開発、建設、運営し、国内外の科学コミュニティに利用できるようにしています。同研究所の研究分野は、将来のテクノロジー、エネルギーと気候、健康イノベーション、そして自然の基盤に焦点を当てています。将来の世代の訓練は PSI の中心的な関心事です。このため、当社の従業員の約 4 分の 1 はポスドク、博士課程の学生、または実習生です。 PSI は合計 2,300 人を雇用しており、スイス最大の研究機関です。年間予算は約4億6,000万スイスフラン。 PSI は ETH ドメインの一部であり、他のメンバーは ETH Zurich、ETH Lausanne、Eawag (水研究所)、Empa (連邦材料試験研究研究所)、および WSL (連邦森林・雪・景観研究所) です。 。
出版物の原文
F. ブティニョール、JWA フィッシャー、AH クラーク、M. エルゼナー、A. ガルブホ、P. ビアシ、I. チェカイ、M. ナハテガール、G. ジェシュケ、O. クレヒャー、D. フェリ
亜酸化窒素と一酸化窒素を同時に変換する鉄触媒協調レドックス機構
自然触媒、2024 年 10 月 10 日 (オンライン)
DOI: 10.1038/s41929-024-01231-3
質問送信先アドレス
ダビデ・フェリ博士
PSI エネルギー環境科学センター
PSI エネルギー環境科学センター
ポール・シェラー研究所PSI
+41 56 310 27 81
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フィリッポ・ブティニョール博士
PSI エネルギー環境科学センター
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作者
#触媒がどのようにして危険な窒素酸化物を除去するのか