Selectieve katalytische reductie (Selective Catalytic Reduction of SCR) heeft als doel de emissie van stikstofoxides (NOx) die ontstaan bij verbrandingsprocessen te beperken. Dit chemisch proces is van toenemend industrieel belang gezien de continu strenger wordende Europese limieten i.v.m. emissie door auto- en vrachtwagenmotoren. Rookgassen verrijkt met NH3 of ureum worden over een katalysator gevoerd waardoor NOx wordt omgezet tot twee onschadelijke gassen, nl. N2 en H2O. De reactietemperaturen liggen hierbij tussen de 200 oC en 500 oC, afhankelijk van het katalysatortype.

Figuur 1. Voorstelling van gebruikte katalysatoren binnen het SCR-proces. Rechts een detailweergave van de metaalhoudende zeolietkatalysator.

Een nieuwe generatie van gebruikte katalysatoren zijn metaalhoudende zeolieten (Figuur 1); de populariteit wordt bepaald door het behaalde hoge rendement en de temperatuursstabiliteit. Recent werd er experimenteel bewijs geleverd dat koperhoudend chabaziet (Cu-CHA) een uitermate geschikte katalysator is voor het SCR-proces. De structurele eigenschappen van dit nanoporeuze materiaal, en in het bijzonder de positie van de koperionen in het rooster zijn nagenoeg gekend. Binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering werd de gedetailleerde moleculaire structuur van Cu-CHA reeds onderzocht, in samenwerking met een experimentele onderzoeksgroep van de Universiteit Utrecht.

Er zijn duidelijke experimentele aanwijzingen dat de Cu2+ ionen de actieve sites zijn voor de katalytische reacties. Hoewel de basisreacties van het SCR-proces eenvoudig lijken (zie Figuur 2), zijn de exacte details van het onderliggende mechanisme en de intermediairen die optreden in de ementaire stappen nog niet volledig gekend. De eerste stappen zijn de adsorptie van de verschillende gasmoleculen, zoals NO en NH3. Deze adsorpties werden reeds onderzocht via een gecombineerde theoretische-experimentele aanpak. Initiele reacties werden reeds gemodelleerd, maar het berekenen van betrouwbare kinetische data blijft een grote uitdaging voor dit complexe proces. I.h.b. moet er rekening gehouden worden met verschillende moleculen die gelijktijdig aanweizig zijn in de zeolietkooi, en die al dan niet een rol spelen bij de cruciale reacties.

Figuur 2. Basisreacties in de selectieve katalytische reductie (SCR) van NOx [Brandenberger et al., Catal. Rev. 2008, 50, 492]

Het doel van deze thesis is het modelleren van elementaire reactieroutes binnen het SCR-proces, met NH3 als selectief reductans. Het onderzochte katalysatormateriaal is Cu-CHA. Het CMM heeft reeds ervaring met dit materiaal en belangrijke structurele eigenschappen zijn reeds gekend. De eerste stap is het in kaart brengen van cruciale reactiestappen voor de SCR-deNOx reactie in CuCHA. De chemische kinetiek van de verschillende reactiestappen zal vervolgens worden berekend a.d.h.v. moleculaire modellering gebaseerd op moleculaire dynamica (i.h.b. metadynamica). Het accuraat berekenen van snelheidscoëfficiënten en afgeleide kinetsche grootheden binnen heterogene katalytische reacties is een centraal onderzoeksthema binnen het CMM. Deze thesis beoogt het bekomen van ab initio chemische kinetiek van cruciale reactiestappen. In tweede instantie kan de invloed van procesparameters - zoals temperatuur - in rekening gebracht worden..

Dit thesisonderwerp verloopt in samenwerking met een experimentele onderzoeksgroep van de Universiteit Utrecht, wat garandeert dat er ook experimentele input voorhanden is en directe validatie van de bekomen resultaten mogelijk is. De grote complexiteit van het SCR-proces vormt zeker de grootste uitdaging aan dit onderwerp, het is belangrijk dat de student zijn/haar chemisch inzicht gebruikt om in te schatten (1) welke reactiestappen zullen domineren en (2) welke parameters cruciaal zijn voor het correct uitvoeren van de geavanceerde dynamicasimulaties. Dit thesisproject omvat een relevant, industrieel-belangrijk onderwerp, waarbij creativiteit en technische vaardigheden gecombineerd moeten worden. Er is geen voorkennis vereist van kwantumfysische computerpakketten, dit wordt tijdens het thesisjaar aangeleerd.