Квантово-химическое исследование механизма восстановления NO на катализаторах Ag /Al2O3

  • Екатерина Георгиевна Рагойжа Белорусский государственный университет, пр. Независимости 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-8344-8438
  • Виталий Эдвардович Матулис Белорусский государственный университет, пр. Независимости 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-9714-9087
  • Олег Анатольевич Ивашкевич Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-2-17-24

Аннотация

Показано, что увеличение содержания N2O среди продуктов реакции восстановления NO при повышении концентрации серебра в катализаторе связано с изменением природы каталитических центров и, как следствие, изменением механизма реакции. Предложены и исследованы методами квантовой химии два механизма реакции: двухстадийный механизм, протекающий через образование димера NO на катализаторах с высоким (более 2 мас. %) содержанием серебра, и механизм, предусматривающий параллельное образование N2O и N, с участием изоцианатов на катализаторах с низким (менее 2 мас. %) содержанием серебра. Установлено, что на катализаторах с высокой концентрацией серебра реализуется механизм, включающий последовательное восстановление NO сначала до N2O, а затем до N2. При этом протекание заключительной стадии осложняется тем, что промежуточно образующиеся интермедиаты и N2O склонны десорбироваться с поверхности катализатора. В случае катализаторов с низкой концентрацией серебра образование обоих продуктов (N2O и N2) идет параллельно, и более низкие активационные барьеры реакции, ведущей к N2, а также термодинамическая выгодность его образования приводят к преобладанию целевого продукта. Изучена конкуренция предложенных механизмов в случае каталитических центров, представленных димерами серебра. Показано, что активационные барьеры реакции, протекающей через образование димера NO, ниже, чем соответствующие барьеры реакции с участием изоцианатов, что подтверждает преимущественную реализацию первого процесса и преобладание N2O среди конечных продуктов. Полученные результаты объясняют экспериментальные данные и являются значимыми для дальнейшего моделирования механизма реакции каталитического восстановления оксидов азота с учетом подложки Al2O3.

Биографии авторов

Екатерина Георгиевна Рагойжа, Белорусский государственный университет, пр. Независимости 4, 220030, г. Минск, Беларусь

ассистент кафедры аналитической химии химического факультета

Виталий Эдвардович Матулис, Белорусский государственный университет, пр. Независимости 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук, доцент; доцент кафедры неорганической химии химического факультета

Олег Анатольевич Ивашкевич, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

академик НАН Беларуси, доктор химических наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории химии конденсированных сред

Литература

  1. Ukisu Y, Miyadera T, Abe A, Yoshida K. Infrared study of catalytic reduction of lean NOx with alcohols over alumina-supported silver catalyst. Catalysis Letters. 1996;39(3–4):265–267. DOI: 10.1007/BF00805593.
  2. Son IH, Kim MC, Koh HL, Kim KL. On the promotion of Ag /γ-Al2O3 by Cs for the SCR of NO by C3H6. Catalysis Letters. 2001;75(3–4):191–197. DOI: 10.1023/A:1016796022644.
  3. Shimizu KI, Shibata J, Yoshida H, Satsuma A, Hattori T. Silver-alumina catalysts for selective reduction of NO by higher hydrocarbons: structure of active sites and reaction mechanism. Applied Catalysis B: Environmental. 2001;30(1–2):151–162. DOI: 10.1007/s11705-019-1847-7.
  4. Deng H, Yu Y, Liu F, Ma J, Zhang Y, He H. Nature of Ag species on Ag /γ-Al2O3: a combined experimental and theoretical study. ACS Catalysis. 2014;4(8):2776 –2784. DOI: 10.1021/cs500248a.
  5. Matulis VE, Ragoyja EG, Ivashkevich OA, Lyakhov DA, Michels D. DFT study of no reduction process on Ag/γ-Al2O3 catalyst: some aspects of mechanism and catalyst structure. Journal of Physical Chemistry C. 2020;125(1):419–426. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c08417.
  6. Ragoyja EG, Matulis VE. Effective approach to theoretical investigations of heterogeneous catalytic processes on metal oxides. In: Vorobyova TN, Vasilevskaya EI, editors. Sviridov readings – 2021: book of abstracts of 9th International conference on chemistry and chemical education; 2021 April 13–14; Minsk, Belarus [Internet]. Minsk: Belarusian State University; 2021 [cited 20.05.2021]. p. 55. Available from: http://surl.li/acdtz.
  7. Glendening ED, Halpern AM. Ab initio calculations of nitrogen oxide reactions: formation of N2O2, N2O3, N2O4, N2O5, and N4O2 from NO, NO2, NO3, and N2O. The Journal of Chemical Physics. 2007;127(16):164307. DOI: 10.1063/1.2777145.
  8. Burch R, Breen JP, Meunier FC. A review of the selective reduction of NOx with hydrocarbons under lean-burn conditions with non-zeolitic oxide and platinum group metal catalysts. Applied Catalysis B: Environmental. 2002;39(4):283–303. DOI: 10.1016/S0926-3373(02)00118-2.
  9. Eränen K, Lindfors LE, Klingstedt F, Murzin DY. Continuous reduction of NO with octane over a silver/alumina catalyst in oxygen-rich exhaust gases: combined heterogeneous and surface-mediated homogeneous reactions. Journal of Catalysis. 2003;219(1):25–40. DOI: 10.1016/S0021-9517(03)00195-7.
Опубликован
2021-09-22
Ключевые слова: механизм восстановления оксидов азота, DFT, процесс SCR, катализатор Ag/Al2O3, кластеры серебра, барьер активации
Как цитировать
Рагойжа, Е. Г., Матулис, В. Э., & Ивашкевич, О. А. (2021). Квантово-химическое исследование механизма восстановления NO на катализаторах Ag /Al2O3. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 2, 17-24. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-2-17-24
Выпуск
№ 2 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Химия
Раздел
Оригинальные статьи

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Химия

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).