Sumber :Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Periset telah menemukan mekanisme reaksi baru yang dapat digunakan untuk memperbaiki rancangan katalis agar sistem pengendalian pencemaran untuk mengurangi emisi oksida nitrogen penyebab asap di knalpot diesel.
Penelitian ini berfokus pada jenis katalis yang disebut zeolit, workhorses di kilang minyak bumi dan kimia dan dalam sistem kontrol emisi untuk mesin diesel.
Desain katalis baru diperlukan untuk mengurangi emisi nitrogen oksida, atau NOx, karena teknologi saat ini hanya bekerja dengan baik pada suhu yang relatif tinggi.
"Tantangan utama dalam mengurangi emisi adalah bahwa hal itu terjadi pada berbagai kondisi operasi, dan terutama suhu pembuangan," kata Rajamani Gounder, Larry and Virginia Faith Asisten Profesor Teknik Kimia di Universitas Teknik Davidson David Purdue. "Mungkin tantangan terbesar adalah mengurangi NOx pada suhu knalpot yang rendah, misalnya saat awal yang dingin atau mengemudi di kota yang padat."
Namun, selain kondisi "sementara" ini, kendaraan masa depan secara alami akan beroperasi pada suhu yang lebih rendah sepanjang waktu karena akan lebih efisien.
"Jadi kita akan membutuhkan katalis yang bekerja lebih baik tidak hanya selama kondisi sementara, tapi juga pada suhu yang rendah," kata Gounder.
Dia telah memimpin tim peneliti yang telah menemukan sifat penting katalis untuk itu untuk dapat mengubah oksida nitrogen. Temuan akan dipublikasikan secara online di jurnal Science pada hari Kamis (17 Agustus) dan akan terbit dalam edisi cetak majalah nanti.
"Hasilnya di sini menunjuk pada mekanisme katalitik yang sebelumnya tidak dikenal dan juga menunjukkan arah baru untuk menemukan katalis yang lebih baik," kata William Schneider, H. Clifford dan Evelyn A. Brosey Profesor Teknik di Universitas Notre Dame. "Ini adalah reaksi dari kepentingan lingkungan utama yang digunakan untuk membersihkan knalpot."
Pekerjaan itu dilakukan oleh para periset di Purdue, Notre Dame dan Cummins Inc., produsen mesin diesel.
"Cummins telah mendukung penelitian teknik kimia Purdue terkait dengan pengurangan emisi mesin selama 14 tahun terakhir," kata Aleksey Yezerets, direktur Catalyst Technology di Cummins. "Publikasi ini menunjukkan satu contoh dari banyak wawasan tentang proses kompleks yang telah kita jalani bersama selama ini."
Zeolit memiliki struktur kristal yang mengandung pori-pori kecil berdiameter 1 nanometer yang diisi dengan "situs aktif" tembaga-atom tempat kimia berlangsung. Dalam temuan baru, para peneliti menemukan bahwa amonia dimasukkan ke dalam knalpot "solvates" ion tembaga ini sehingga mereka dapat bermigrasi ke dalam pori-pori, menemukan satu sama lain, dan melakukan langkah katalitik yang tidak mungkin dilakukan.
Kompleks tembaga-amonia ini mempercepat reaksi pemecah ikatan kritis dari molekul oksigen, yang saat ini membutuhkan suhu knalpot sekitar 200 derajat Celsius untuk terjadi secara efektif. Periset berusaha mengurangi suhu ini hingga sekitar 150 derajat celcius.
"Alasan kimiawi ini bekerja adalah karena situs tembaga tunggal berkumpul, dan bekerja sama untuk melakukan langkah sulit dalam mekanisme reaksi," kata Gounder. "Ini adalah proses dinamis yang melibatkan situs tembaga tunggal yang bertemu untuk membentuk pasangan selama reaksi untuk mengaktifkan molekul oksigen, dan kemudian kembali ke lokasi yang terisolasi setelah reaksi selesai."
Langkah pembatas laju ini dapat dipercepat dengan menyesuaikan distribusi spasial ion tembaga, yang menyebabkan emisi nitrogen oksida lebih rendah pada suhu yang lebih dingin dari sekarang.
Untuk membuat penemuan ini, para peneliti membutuhkan teknik yang bisa "melihat" atom tembaga sementara reaksi katalitik terjadi. Dalam makalah ini, kami menyajikan hasil sinar-X di synchrotron di Argonne National Laboratory, dengan model komputasi molekuler yang dilakukan pada superkomputer di Pusat Penelitian dan Komputasi Penelitian Notre Dame Laboratorium Ilmu Molekuler di Pacific Northwest National Laboratory.
"Tidak diragukan lagi, kami tidak dapat membuat penemuan ini tanpa tim yang beragam dan terintegrasi dan akses ke beberapa alat laboratorium dan komputer paling kuat di negara ini," kata Schneider.
Meskipun proyek ini berfokus pada aplikasi pengurangan polusi "di jalan", pangsa pasar terbesar untuk katalis zeolit ada di kilang minyak bumi. Penemuan ini memiliki implikasi untuk "katalisis heterogen," yang banyak digunakan di industri.
"Sebagian besar proses katalitik di industri menggunakan teknologi heterogen," kata Gounder.
Makalah ini ditulis oleh mahasiswa pascasarjana Purdue, Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio dan Jonatan D. Albarracin-Caballero; Mahasiswa pascasarjana Universitas Notre Dame Christopher Paolucci, Sichi Li dan Hui Li; Yezerets; Guru Besar Teknik Kimia Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Purdue's Maxine Spencer Nichols Profesor Emeritus Teknik Kimia; Fabio H. Ribeiro, Purdue R. Norris dan Eleanor Shreve Professor Teknik Kimia; Schneider; Dan Gounder.
Penelitian ini telah didanai oleh National Science Foundation dan Cummins Inc.
"Penelitian ini merupakan bagian dari misi kami sebagai universitas hibah tanah," kata Gounder. "Kami bekerja dengan perusahaan-perusahaan di negara bagian Indiana, dan pekerjaan ini merupakan bagian penting dalam pendidikan banyak siswa."
 |
| Diagram ini menggambarkan mekanisme reaksi baru yang dapat digunakan untuk memperbaiki desain katalis untuk sistem pengendalian polusi untuk knalpot diesel. |
Periset telah menemukan mekanisme reaksi baru yang dapat digunakan untuk memperbaiki rancangan katalis agar sistem pengendalian pencemaran untuk mengurangi emisi oksida nitrogen penyebab asap di knalpot diesel.
Penelitian ini berfokus pada jenis katalis yang disebut zeolit, workhorses di kilang minyak bumi dan kimia dan dalam sistem kontrol emisi untuk mesin diesel.
Desain katalis baru diperlukan untuk mengurangi emisi nitrogen oksida, atau NOx, karena teknologi saat ini hanya bekerja dengan baik pada suhu yang relatif tinggi.
"Tantangan utama dalam mengurangi emisi adalah bahwa hal itu terjadi pada berbagai kondisi operasi, dan terutama suhu pembuangan," kata Rajamani Gounder, Larry and Virginia Faith Asisten Profesor Teknik Kimia di Universitas Teknik Davidson David Purdue. "Mungkin tantangan terbesar adalah mengurangi NOx pada suhu knalpot yang rendah, misalnya saat awal yang dingin atau mengemudi di kota yang padat."
Namun, selain kondisi "sementara" ini, kendaraan masa depan secara alami akan beroperasi pada suhu yang lebih rendah sepanjang waktu karena akan lebih efisien.
"Jadi kita akan membutuhkan katalis yang bekerja lebih baik tidak hanya selama kondisi sementara, tapi juga pada suhu yang rendah," kata Gounder.
Dia telah memimpin tim peneliti yang telah menemukan sifat penting katalis untuk itu untuk dapat mengubah oksida nitrogen. Temuan akan dipublikasikan secara online di jurnal Science pada hari Kamis (17 Agustus) dan akan terbit dalam edisi cetak majalah nanti.
"Hasilnya di sini menunjuk pada mekanisme katalitik yang sebelumnya tidak dikenal dan juga menunjukkan arah baru untuk menemukan katalis yang lebih baik," kata William Schneider, H. Clifford dan Evelyn A. Brosey Profesor Teknik di Universitas Notre Dame. "Ini adalah reaksi dari kepentingan lingkungan utama yang digunakan untuk membersihkan knalpot."
Pekerjaan itu dilakukan oleh para periset di Purdue, Notre Dame dan Cummins Inc., produsen mesin diesel.
"Cummins telah mendukung penelitian teknik kimia Purdue terkait dengan pengurangan emisi mesin selama 14 tahun terakhir," kata Aleksey Yezerets, direktur Catalyst Technology di Cummins. "Publikasi ini menunjukkan satu contoh dari banyak wawasan tentang proses kompleks yang telah kita jalani bersama selama ini."
Zeolit memiliki struktur kristal yang mengandung pori-pori kecil berdiameter 1 nanometer yang diisi dengan "situs aktif" tembaga-atom tempat kimia berlangsung. Dalam temuan baru, para peneliti menemukan bahwa amonia dimasukkan ke dalam knalpot "solvates" ion tembaga ini sehingga mereka dapat bermigrasi ke dalam pori-pori, menemukan satu sama lain, dan melakukan langkah katalitik yang tidak mungkin dilakukan.
Kompleks tembaga-amonia ini mempercepat reaksi pemecah ikatan kritis dari molekul oksigen, yang saat ini membutuhkan suhu knalpot sekitar 200 derajat Celsius untuk terjadi secara efektif. Periset berusaha mengurangi suhu ini hingga sekitar 150 derajat celcius.
"Alasan kimiawi ini bekerja adalah karena situs tembaga tunggal berkumpul, dan bekerja sama untuk melakukan langkah sulit dalam mekanisme reaksi," kata Gounder. "Ini adalah proses dinamis yang melibatkan situs tembaga tunggal yang bertemu untuk membentuk pasangan selama reaksi untuk mengaktifkan molekul oksigen, dan kemudian kembali ke lokasi yang terisolasi setelah reaksi selesai."
Langkah pembatas laju ini dapat dipercepat dengan menyesuaikan distribusi spasial ion tembaga, yang menyebabkan emisi nitrogen oksida lebih rendah pada suhu yang lebih dingin dari sekarang.
Untuk membuat penemuan ini, para peneliti membutuhkan teknik yang bisa "melihat" atom tembaga sementara reaksi katalitik terjadi. Dalam makalah ini, kami menyajikan hasil sinar-X di synchrotron di Argonne National Laboratory, dengan model komputasi molekuler yang dilakukan pada superkomputer di Pusat Penelitian dan Komputasi Penelitian Notre Dame Laboratorium Ilmu Molekuler di Pacific Northwest National Laboratory.
"Tidak diragukan lagi, kami tidak dapat membuat penemuan ini tanpa tim yang beragam dan terintegrasi dan akses ke beberapa alat laboratorium dan komputer paling kuat di negara ini," kata Schneider.
Meskipun proyek ini berfokus pada aplikasi pengurangan polusi "di jalan", pangsa pasar terbesar untuk katalis zeolit ada di kilang minyak bumi. Penemuan ini memiliki implikasi untuk "katalisis heterogen," yang banyak digunakan di industri.
"Sebagian besar proses katalitik di industri menggunakan teknologi heterogen," kata Gounder.
Makalah ini ditulis oleh mahasiswa pascasarjana Purdue, Ishant Khurana, Atish A. Parekh, Arthur J. Shih, John R. Di Iorio dan Jonatan D. Albarracin-Caballero; Mahasiswa pascasarjana Universitas Notre Dame Christopher Paolucci, Sichi Li dan Hui Li; Yezerets; Guru Besar Teknik Kimia Jeffrey T. Miller; W. Nicholas Delgass, Purdue's Maxine Spencer Nichols Profesor Emeritus Teknik Kimia; Fabio H. Ribeiro, Purdue R. Norris dan Eleanor Shreve Professor Teknik Kimia; Schneider; Dan Gounder.
Penelitian ini telah didanai oleh National Science Foundation dan Cummins Inc.
"Penelitian ini merupakan bagian dari misi kami sebagai universitas hibah tanah," kata Gounder. "Kami bekerja dengan perusahaan-perusahaan di negara bagian Indiana, dan pekerjaan ini merupakan bagian penting dalam pendidikan banyak siswa."
No comments:
Post a Comment