Copper-modified zeolites as the basis of catalysts for conversion of gaseous nitrogen pollutants

Tlenki azotu NOx są poważnym zagrożeniem dla środowiska i zdrowia ludzi, dlatego istnieje potrzeba ich redukcji, do czego stosuje się proces NH3-SCR. Komercyjny katalizator stosowany w procesie DeNOx posiada ograniczenia i z tego powodu poszukuje się nowych lepszych, potencjalnych układów. Zeolity ZSM-5 o module Si/Al 15 i 45 oraz mordenit o module Si/Al 15 poddano wymianie jonowej w celu modyfikacji materiałów jonami miedzi. Próbki te przebadano jako potencjalne katalizatory procesów katalitycznej redukcji tlenków NOx amoniakiem oraz katalitycznego utleniania amoniaku. Materiały po wymianie jonowej poddano badaniom XRD, niskotemperaturowej sorpcji azotu, UV-Vis-DRS oraz testom katalitycznym NH3-SCR (DeNOx) i NH3-SCO. Z przeprowadzonych badań XRD wynika, że struktura zeolitów nie została uszkodzona po procesie wymianie jonowej na jony miedzi. Dostrzeżono, że całkowita powierzchnia BET dla zeolitów zmalała po wymianie jonowej. Na podstawie badań UV-Vis-DRS stwierdzono, że wszystkie zeolity wykazują obecność zhydratowanych form Cu2+ i izolowanych kationów Cu2+, natomiast w mordenicie stwierdzono również obecność niewielkich ilości oligomerycznych form CuO. W procesach DeNOx i NH3-SCO zeolity modyfikowane Cu wykazały bardzo dużą aktywność katalityczną. W procesie NH3-SCR największą aktywnością cechowała się próbka Cu_ZSM-5_15, dla której stopień konwersji NO przekraczający 90% osiągnięto już w temperaturze 250°C. W procesie tym dla wszystkich badanych próbek zeolitów zaobserwowano również wysoką selektywność do azotu.

Nitrogen oxides NOx are dangerous for the environment and human health, so there is a need to reduce their emission into atmosphere. One of the most effective method is their catalytic reduction with ammonia (DeNOx, NH3-SCR). Zeolites ZSM-5 with Si/Al module 15 and 45 and mordenite with Si/Al module 15 were modified with copper by ion-exchange method and tested in the role of the DeNOx catalysts and selective catalytic oxidation of ammonia (AMOx, NH3-SCO). The modified zeolites were characterized by various methods including: XRD, low-temperature nitrogen sorption and UV-Vis-DRS. The XRD analysis showed that the structure of the zeolites was not damaged under conditions of the ion-exchange process and subsequent calcination. It was noticed that the total BET area for zeolites decreased after deposition of copper by the ion-exchange method. Moreover, the analysis of the UV-Vis-DR spectra showed that all zeolites showed the presence of hydroxylated Cu2+ forms and isolated Cu2+ cations, while a presence of oligomeric CuO forms was also noticed in mordenite. In the DeNOx and NH3-SCO processes, Cu-modified zeolites showed very high catalytic activity. In the NH3-SCR process the highest activity was observed for Cu_ZSM-5_15, for which the – the NO conversion exceeded 90% at 250°C. High selectivity to nitrogen was observed in this process for all the studied zeolite samples.