Influence of aluminium distribution on the diffusion mechanisms and pairing of [Cu(NH3)2]+ complexes in Cu-CHA

Abstract

Abstract The performance of Cu-exchanged chabazite (Cu-CHA) for the ammonia-assisted selective catalytic reduction of NO x (NH 3 -SCR) depends critically on the presence of paired $${[{{{\rm{Cu}}}}{({{{{\rm{NH}}}}}_{3})}_{2}]}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>Cu</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> complexes. Here, a machine-learning force field augmented with long-range Coulomb interactions is developed to investigate the effect of Al-distribution and Cu-loading on the mobility and pairing of $${[{{{\rm{Cu}}}}{({{{{\rm{NH}}}}}_{3})}_{2}]}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>Cu</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> complexes. Performing unbiased and constrained molecular dynamics simulations, we obtain unique information inaccessible to first-principle calculations and experiments. The free energy barrier for $${[{{{\rm{Cu}}}}{({{{{\rm{NH}}}}}_{3})}_{2}]}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>Cu</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> diffusion between CHA-cages depends sensitively on both the local and distant Al-distribution. Importantly, certain Al-distributions and arrangements of neighboring $${[{{{\rm{Cu}}}}{({{{{\rm{NH}}}}}_{3})}_{2}]}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>Cu</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and $${{{{{\rm{NH}}}}}_{4}}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> cations make paired $${[{{{\rm{Cu}}}}{({{{{\rm{NH}}}}}_{3})}_{2}]}^{+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>Cu</mml:mi> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>NH</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>]</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mro

Topics & Concepts