A study of the N2O decomposition mechanism over a Fe-CHA catalyst by transient response methods

Nitrous oxide (N₂O) is a potent greenhouse gas with a global warming potential almost 300 times higher than CO₂ and a significant contributor to stratospheric ozone depletion. Its emissions arise also from mobile combustion systems. With the forthcoming Euro 7 regulation, which, for the first time, introduces specific limits on N₂O emissions from road vehicles, the need for efficient N₂O abatement technologies has become increasingly urgent. Among the available mitigation strategies, the direct catalytic decomposition of N₂O into N₂ and O₂ stands out as a promising approach. In particular, iron-exchanged chabazite-type zeolite (Fe-CHA) catalysts have shown remarkable activity at high temperatures, making them potential candidates for the N2O emission control. However, the structural complexity of Fe species in zeolitic frameworks and the coexistence of multiple oxidation states make the identification of the actual active sites and of the kinetically-relevant reaction steps still challenging. The present work aims to elucidate the mechanism of N₂O decomposition over Fe-CHA catalysts through a combined experimental and modelling campaign. Transient Response Methods (TRMs) were employed to investigate the dynamic evolution of the gas species during controlled perturbations in feed composition. Dedicated experimental campaigns were carried out to assess the influence of temperature, catalyst pretreatment and of different operating conditions. The collected data were quantitatively analysed by means of a Transient Kinetic Analysis (TKA), based on mechanistic schemes available in the literature and adapted to reproduce the transient responses obtained under the different experimental conditions. The models were tested on their ability to capture both transient and steady-state behaviour. The results reveal the intrinsic complexity of the N₂O decomposition process over Fe-CHA and underline the critical role of the iron oxidation state and the interplay with the surrounding gas environment. The comparative assessment of mechanistic models highlights the challenges in describing the redox dynamics to achieve a realistic representation of the catalytic cycle. Ultimately, this work provides new insights into broadening the understanding for the rational design of catalysts for greenhouse gas mitigation.

Il protossido di azoto (N₂O) è un potente gas serra, con un potenziale di riscaldamento globale quasi 300 volte superiore a quello della CO₂, e rappresenta un importante contributore al fenomeno della distruzione dello strato di ozono stratosferico. Le sue emissioni derivano anche dai sistemi di combustione mobile. Con l’introduzione del nuovo regolamento Euro 7, che per la prima volta stabilisce limiti specifici alle emissioni di N₂O dai veicoli stradali, la necessità di sviluppare tecnologie efficaci per l’abbattimento di tale composto è divenuta sempre più urgente. Tra le strategie di mitigazione disponibili, la decomposizione catalitica diretta dell’N₂O in N₂ e O₂ rappresenta un approccio particolarmente promettente. In particolare, i catalizzatori a base di chabazite scambiata con ferro (Fe-CHA) hanno mostrato un’elevata attività alle alte temperature, rendendoli potenziali candidati per il controllo delle emissioni di N₂O. Tuttavia, la complessità strutturale delle specie di ferro all’interno della matrice zeolitica e la coesistenza di molteplici stati di ossidazione rendono ancora difficile l’identificazione dei siti attivi e degli step cineticamente rilevanti della reazione. Il presente lavoro si propone di elucidare il meccanismo di decomposizione dell’N₂O su catalizzatori Fe-CHA attraverso un approccio combinato sperimentale e di analisi cinetica. Sono stati impiegati metodi di risposta transiente per investigare l’evoluzione dinamica delle specie gassose durante perturbazioni controllate dell’alimentazione. Sono state inoltre condotte campagne sperimentali dedicate per valutare l’influenza della temperatura, dei pretrattamenti del catalizzatore e di diverse condizioni operative. I dati raccolti sono stati interpretati e analizzati quantitativamente tramite analisi cinetica transiente, basata su meccanismi presenti in letteratura e adattati per riprodurre le risposte transitorie ottenute in diverse condizioni sperimentali. I modelli sono stati testati e valutati per la loro capacità di descrivere sia il comportamento transitorio sia quello stazionario. I risultati ottenuti rivelano la complessità intrinseca del processo di decomposizione dell’N₂O su Fe-CHA e sottolineano il ruolo cruciale dello stato di ossidazione del ferro e dell’interazione con l’ambiente gassoso circostante. Il confronto tra i diversi modelli meccanicistici evidenzia le difficoltà nella descrizione delle dinamiche redox per ottenere una rappresentazione realistica del ciclo catalitico. In definitiva, questo lavoro contribuisce alla comprensione necessaria per la progettazione di catalizzatori di nuova generazione destinati alla mitigazione dei gas serra.