Untersuchung des Potenzials der NOx-Entfernung in Motornähe unter mageren Bedingungen: Eine verständnisbasierte Evaluierung aktueller Katalysatorsysteme unter realitätsnahen Bedingungen

Stipendiatin/Stipendiat: Deniz Zengel

Über die letzten Jahrzehnte konnte ein stetiger Anstieg an klimaschädlichen CO2-Emissionen beobachtet werden. Ein nicht zu vernachlässigender Anteil dieser Emissionen stammt von Verbrennungsmotoren aus dem mobilen Sektor. Bei dem Bestreben diese Emissionen zu reduzieren, haben Motoren, welche unter sauerstoffreichen Bedingungen arbeiten (z.B. Dieselmotor), auf Grund ihrer größeren Effizienz eine bedeutende Rolle erlangt. Trotz der guten Effizienz sind höhere NOX-Emissionen ein bedeutender Nachteil. Um die Umwelt besser zu schützen und auch aufgrund der sich verschärfenden Schadstoffgrenzwerte ist es daher unabdingbar, eine effizientere Entfernung der Schadstoffe im Abgas zu entwickeln. Ein vielversprechender Ansatz hierbei ist die Positionierung der Katalysatoren in Motornähe vor dem Turbolader, da an dieser Position nicht nur die Temperatur sondern auch der Druck höher ist. Beides sollte die Reaktionsrate und damit den NOX-Umsatz der Katalysatoren positiv beeinflussen.

Im Rahmen dieses Projekts soll daher das Potential einzelner und kombinierter Katalysatorsysteme unter Bedingungen vor einem Turbolader evaluiert werden, um Aufschluss über Vor- und Nachteile einer solchen Anordnung zu gewinnen. Hierzu sollen insbesondere aktuelle Katalysatoren für die selektive katalytische Reduktion (SCR) unter hohem Druck, hohen Temperaturen und bei Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen und Schwefelverbindungen getestet werden. Im weiteren Teil des Projektes sollen Dieseloxidations- (DOC) bzw. NOX-Speicherreduktions-Katalysatoren (NSR) getestet werden, da die Kombination dieser Systeme mit dem SCR-Katalysator zu Vorteilen führen könnte: Der DOC setzt neben Kohlenwasserstoffen auch NO zu NO2 um, wodurch die schnellere Entfernung von NOX über die sogenannte „Fast-SCR“ ermöglicht werden könnte. Im Falle des NSR-Systems wäre eine hohe NOX-Speicherkapazität im niedrigen Temperaturbereich bei hohem Druck von Vorteil. Durch die Kombination von NSR und SCR könnte somit die niedrige NOX Reduktion des SCR-Katalysators bei tiefen Temperaturen ausgeglichen werden.
Neben Messungen zur Bestimmung der katalytischen Aktivität sollen Langzeit- und Stabilitätstests durchgeführt werden, da eine Anwendung unter Vorturbo-Bedingungen die Alterung der Katalysatoren wahrscheinlich begünstigt.

Nach Evaluierung der verschiedenen Systeme sollen diese dann kombiniert werden. Im Fokus stehen hierbei die Systeme DOC + SCR und NSR + SCR. Aus den gesammelten Daten sollen zusätzlich für das System DOC + SCR kinetische Parameter bestimmt werden und in Kooperation mit dem Arbeitskreis Deutschmann (ITCP) eine Grundlage für die Modellierung gelegt werden.

Da sich die Eigenschaften der Katalysatoren, z.B. katalytisch aktive Spezies, Struktur etc., sowohl bei der Alterung als auch unter Reaktionsbedingungen verändern werden, ist eine genaue strukturelle Untersuchung notwendig. Aus diesem Grund sind detaillierte Charakterisierungen vor, während (in situ) und nach der Testung geplant. Diese sollen vor allem Aufschlüsse über die Wechselwirkungen der Adsorbate, Änderungen der Morphologie und das Verhalten der katalytisch aktiven Zentren während der Reaktion liefern. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse sollen die Katalysatoren gezielt modifiziert und verbessert werden, z.B. Alterserscheinungen minimiert werden. Durch die ausführliche Evaluierung sowohl einzelner als auch kombinierter Katalysatorsysteme mittels Aktivitätstests und Charakterisierung kann eine aussagekräftige Einschätzung des Potentials der NOX-Reduktion und ein tiefgehendes molekulares Verständnis der Katalysatoren gewonnen werden. Mit optimierten Katalysatorsystemen kann die Anwendung vor dem Turbolader eine effektive Möglichkeit zur Verringerung der NOX-Emissionen und somit einer Verbesserung der Umweltsituation nicht nur in Deutschland sondern weltweit bieten.

Förderzeitraum:
01.07.2017 - 30.06.2020

Institut:
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Technische Chemie und Polymerchemie

Betreuer:
Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt

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