Copper loading effect on the low-temperature standard-SCR kinetic redox mechanism over Cu-CHA catalysts

One of the main hazardous pollutants emitted by Diesel engines are nitrogen oxides (NOx). In order to comply with the more stringent emissions regulations set worldwide, ammonia-based Selective Catalytic Reduction (NH3-SCR) is the state-of-the-art NOx abatement technology for mobile sources. NH3-SCR employs ammonia as a reducing agent to transform NOx into N2 through a catalytic chemical reaction. Among the different catalysts available, copper-exchanged zeolites are the most promising and efficient, being characterized by high deNOx efficiency and high N2 selectivity. The low-temperature Standard-SCR redox mechanism over Cu-CHA catalysts can be divided into two half-cycles involving the Cu sites: the Reduction (RHC) and the Oxidation Half-Cycle (OHC), in which the Cu(II) shift to Cu(I) and vice versa. This thesis project aims to assess the effect of copper loading on the RHC and OHC reaction mechanisms, by performing a series of Transient Response Methods (TRMs) on three different catalyst samples with increasing Cu loading. A subsequent Transient Kinetic Analysis (TKA) was conducted, allowing to validate the dual-site kinetic mechanism of the RHC and OHC and obtain the two half-cycles kinetic constants, in order to find possible correlations between the Cu loading of the catalysts and the relative reaction rates. Furthermore, the effect of water on the RHC and OHC reaction mechanism was analysed and discussed by performing the same experimental protocols under both dry and wet conditions.

Gli ossidi di azoto (NOx) sono alcuni dei principali inquinanti emessi dai motori Diesel. Per conformarsi alle normative sempre più severe sulle emissioni a livello mondiale, la Riduzione Catalitica Selettiva con ammoniaca (NH3-SCR, in inglese) è la tecnologia di abbattimento dei NOx più all’avanguardia per i veicoli. L'SCR utilizza l'ammoniaca come riducente per trasformare i NOx in N2 mediante una reazione catalitica. Tra i diversi catalizzatori disponibili, le zeoliti scambiate con rame sono le più promettenti ed efficienti, essendo caratterizzate da un'elevata efficienza deNOx e da un'elevata selettività verso N2. Il meccanismo redox della Standard-SCR a bassa temperatura sui catalizzatori Cu-CHA può essere suddiviso in due emicicli che coinvolgono i siti Cu: l’emiciclo di riduzione e l’emiciclo di ossidazione, in cui i siti attivi passano da Cu(II) a Cu(I) e viceversa. Questa tesi vuole valutare l'effetto del carico di rame sui meccanismi di reazione di riduzione e ossidazione, attraverso una serie di metodi di risposta transiente su tre campioni di catalizzatore a carico di rame crescente. Un'analisi cinetica transitoria è stata effettuata, consentendo di convalidare il meccanismo cinetico a doppio sito e di stimare le costanti cinetiche dei due emicicli, in modo tale da trovare possibili correlazioni tra il carico di rame dei catalizzatori e le relative velocità di reazione. Infine, è stato analizzato l'effetto dell'acqua sul meccanismo di reazione di RHC e OHC, eseguendo gli stessi protocolli sperimentali sia in presenza che in assenza di acqua.