Transition metal functionalized Ti-MWW zeolites for use in NH3-SCR process: effect of structure, synthesis procedure and chemical composition on catalytic performance

Proces selektywnej katalitycznej redukcji tlenków azotu amoniakiem (NH3-SCR) jest jedną z metod eliminacji emisji szkodliwych tlenków azotu (NOx), będących głównymi składnikami zanieczyszczenia powietrza. Wymogi środowiskowe narzuciły modernizację układów SCR, dostosowując je do pracy z niskopyłowymi spalinami oraz obniżenia temperatury procesu. Konieczne stało się opracowanie katalizatorów konwersji NOx o wysokiej skuteczności w niskiej temperaturze, około 250°C lub niższej. Ciekawą alternatywą dla komercyjnych katalizatorów okazały się być materiały porowate, w tym zeolity. Badania skupiają się na syntezie prekursorów zeolitu MCM-22 (o stosunku molowym Si/Ti równym 30 i 50), a następnie modyfikacji obu materiałów do struktur mikro-mezoporowatych (delaminowanych ITQ-2 oraz interkalowanych MCM-36). Dodatkowo materiały poddano funkcjonalizacji katalitycznej kationami miedzi. Materiały zostały scharakteryzowane pod względem parametrów teksturalnych (niskotemperaturowa sorpcja azotu), struktury materiału (XRD), stopnia agregacji kationów metali przejściowych (UV-vis-DRS), redukowalności fazy aktywnej (H2-TPR), kwasowości powierzchniowej (NH3-TPD) oraz składu chemicznego (ICP-OES). Następnie próbki miedziowych katalizatorów poddano testom katalitycznym: selektywnej katalitycznej redukcji tlenków azotu amoniakiem (NH3-SCR), selektywnemu katalitycznemu utlenianiu amoniaku (NH3-SCO) oraz utlenianiu NO do NO2. Wyniki badań charakterystyki fizykochemicznej pokazały, że otrzymano prawidłowe struktury prekursorów MCM-22(P). W wyniku modyfikacji otrzymano głównie struktury mikroporowate; mezoporowatość udało się uzyskać jedynie w przypadku próbki 50Ti-MCM-36-A. Miedź została wprowadzona do struktury materiałów głównie w postaci form monomerycznych, jednak zauważalny jest także wpływ form oligomerycznych na parametry teksturalne materiału. Testy katalityczne wykazały, że opracowane katalizatory charakteryzują się wysoką konwersją NO w wysokich temperaturach, a modyfikacja do struktury MCM-36 w obu przypadkach doprowadziła do zadowalającej konwersji NO już w niższych temperaturach.

The process of selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia (NH3-SCR) is one method of eliminating emissions of harmful nitrogen oxides (NOx), which are major components of air pollution. Environmental requirements have dictated the modernization of SCR systems, adapting them to operate with low-dust exhaust gases and lower process temperatures. It became necessary to develop NOx conversion catalysts with high efficiency at low temperatures, around 250°C or lower. Porous materials, including zeolites, have proven to be an interesting alternative to commercial catalysts. The research focuses on the synthesis of zeolite precursors MCM-22 (with Si/Ti molar ratios of 30 and 50), followed by modification of both materials to micro-mesoporous structures (delaminated ITQ-2 and intercalated MCM-36). In addition, the materials were subjected to catalytic functionalization with copper cations. The materials were characterized in terms of textural parameters (low-temperature nitrogen sorption), material structure (XRD), degree of transition metal cation aggregation (UV-vis-DRS), active phase reducibility (H2-TPR), surface acidity (NH3-TPD) and chemical composition (ICP-OES). Copper catalyst samples were then subjected to catalytic tests: selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia (NH3-SCR), selective catalytic oxidation of ammonia (NH3-SCO) and oxidation of NO to NO2. The results of the physicochemical characterization studies showed that the correct structures of MCM-22(P) precursors were obtained. As a result of the modification, mainly microporous structures were obtained; mesoporosity could be obtained only in the case of sample 50Ti-MCM-36-A. Copper was introduced into the structure of the materials mainly in the form of monomeric forms, but the effect of oligomeric forms on the textural parameters of the material is also noticeable. Catalytic tests showed that the developed catalysts have high NO conversion at high temperatures, and modification to the MCM-36 structure in both cases led to satisfactory NO conversion already at lower temperatures.