Selective tuning of prevalent (MOx)n configurations dispersed on TiO2 (M=W, Mo, V)
Authors: Κέντρη Θεοχάρις 
Published: September 2024

Σήμερα όπου οι περιβαλλοντικές προκλήσεις αυξάνονται, η παγκόσμια κοινότητα στρέφει την προσοχή της στον περιορισμό του ανθρωπογενούς αποτυπώματος, ενθαρρύνοντας πολιτικές μείωσής του από παγκόσμιους οργανισμούς και κυβερνητικά σώματα. Η αύξηση της ζήτησης ενέργειας και η επακόλουθη εκπομπή επικίνδυνων ρύπων αποδίδονται κυρίως στον γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης της βιομηχανίας και στη αύξηση του παγκόσμιου του πληθυσμού, κάνοντας πιο αναγκαία από ποτέ τη βιώσιμη ανάπτυξη. Σημαντικές πρωτοβουλίες, όπως η στρατηγική Βιώσιμων Στόχων Ανάπτυξης του ΟΗΕ και το Περιβαλλοντικό Σχέδιο Δράσης της ΕΕ υπογραμμίζουν την ανάγκη για ανθρωπογενές αποτύπωμα μέσα στους οικολογικούς περιορισμούς της Γης. Σε αυτό το πλαίσιο, η επιστημονική έρευνα εστιάζει στην περιβαλλοντική κατάλυση, προτείνοντας καινοτόμες, φιλικές προς το περιβάλλον στρατηγικές για τη μείωση των ρύπων και την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Στην ετερογενή κατάλυση, που αποτελεί κρίσιμο μέρος τη μετάβασης προς καθαρότερες τεχνολογίες και συμμετέχει στο 80% των βιομηχανικών διεργασιών, κρίνεται απαραίτητη η στροφή από τις παραδοσιακές εμπειρικές μεθόδους σε μια μοριακή κατανόηση των καταλυτικών φαινομένων.Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στον δομικό χαρακτηρισμό καταλυτών (ΜΟx)n (M=W, Mo, V) σε φορείς TiO2, συγκεκριμένα TiO2-αναταση και TiO2-Degussa P25, και εξετάζει τις παραμέτρους που επηρεάζουν τις δομικές ιδιότητες της διεσπαρμένης οξο-μεταλλικής φάσης και τις παραμέτρους που επηρεάζουν δομ κούς μετασχηματισμών των διεσπαρμένων ειδών. Η μελέτη έχει ως στόχο την αποκωδικοποίηση των πολύπλοκων δομικών χαρακτηριστικών και μηχανισμών που διέπουν την επικράτηση συγκεκριμένων οξο-μεταλλικών δομών, με κατάλληλο έλεγχο παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, η κάλυψη της επιφάνειας, το επίπεδο αφύγρανσης και του περιβάλλοντος που εκτίθεται ο καταλύτης. Παρά την εκτενή έρευνα στον τομέα για τα συγκεκριμένα καταλυτικά συστήματα, λόγω της σημαντικότητάς τους στη βιομηχανία, υπάρχουν ακόμη ανοιχτά ερωτήματα σχετικά με τις μοριακές δομέ και παραμέτρους που επηρεάζουν την επικράτηση των οξο-μεταλλικών ειδών. Σκοπός του πρώτου μέρους είναι η ανάπτυξη βελτιωμένων καταλυτικών συστημάτων με προσαρμοσμένες ιδιότητες στις ανάγκες των αντιδράσεων που εξυπηρετούν, με κατάλληλη ρύθμιση μετά το στάδιο της πύρωσης, της θερμοκρασίας, της επιφανειακής πυκνότητας, του επιπέδου αφύγρανσης και της μορφολογίας του φορέα υπό οξειδωτικό περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας in situ φασματοσκοπικές τεχνικές Raman, IR και πειράματα ισοτοπικής εναλλαγής 18Ο/16Ο συνεχούς ροής, καθώς και ν ωτερικά πειράματα Raman στατικής ισορροπίας υπό ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και αφύγρανσης, επιτυγχάνεται η διάκριση και κατανόηση των καταλυτικών δομών και δομικών μετασχηματισμών στη διεσπαρμένη φάση, καθώς και οι συνθήκες επικράτησής τους. Στο δεύτερο μέρος, επιλεγμένοι καταλύτες VOx σε Degussa P25 υπόκεινται σε συνθήκες επιλεκτικής καταλυτικής αναγωγής των NOx από NH3 (NH3-SCR, SCR: Selective Catalytic Reduction), με σκοπό την αποσαφήνιση της μεταβολής των οξο-μεταλλικών διαμορφώσεων της διεσπαρμένης φάσης σε όλα τα στάδια ης αντίδρασης, ώστε να κατανοηθεί ο μηχανισμός αυτής σε μοριακό επίπεδο, με χρήση της in situ Raman φασματοσκοπίας. Τελικά, η παρούσα μελέτη καταφέρνει να απαντήσει σε θεμελιώδη ανοικτά ερωτήματα που αφορούν την ανάπτυξη φαινομένων σε μοριακό επίπεδο, χρησιμοποιώντας νεωτερικά πειράματα βασισμένα σε διαδεδομένες τεχνικές, ενώ τα συμπεράσματα αυτής μπορούν να αποτελέσουν βάση στη συζήτηση για τον επιστημονικά θεμελιωμένο σχεδιασμό καταλυτών, απαντώντας σε απαιτήσεις εκλεκτικότητας, απόδοσης και βιωσιμότητας.