09.06.2022 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Smog klärt Autoabgaskatalysator-Design

Systematische Studie löst die Debatte über die beste Kombination von Metallen zur katalytischen Reinigung von NOx aus Fahrzeugemissionen

Smog erzeugende Chemikalien könnten durch ein neues, an der KAUST entwickeltes Abgaskatalysatorkonzept fast vollständig aus den Auspuffrohren von Dieselfahrzeugen und Lieferwagen entfernt werden. Nach systematischer Untersuchung verschiedener Katalysatorzusammensetzungen hat das Forscherteam das ideale Atomrezept zur katalytischen Entfernung von NOx aus den Fahrzeugemissionen ermittelt. Die Ergebnisse lösen eine anhaltende Debatte über Zusatzatome in der Katalysatormischung.

Die jüngsten Entwicklungen im Bereich der hocheffizienten Motorenkonstruktion und die Verschärfung der Emissionsvorschriften für Kraftfahrzeuge erfordern verbesserte Abgaskatalysatoren für Motoren. Die NOx-Katalysatoren der aktuellen Generation für kleine Dieselmotoren funktionieren optimal bei Temperaturen über 200 Grad Celsius. Jetzt werden Katalysatoren benötigt, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Solche Katalysatoren müssen NOx nach einem Kaltstart schnell beseitigen und mit den neuen Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren zusammenarbeiten.

Um eine neue Generation verbesserter NOx-Katalysatoren zu entwickeln, hat sich das Unternehmen Umicore mit einem Forschungsteam des KAUST Catalysis Center unter der Leitung von Javier Ruiz-Martínez zusammengetan, um das Design des Katalysators zu optimieren.

"Wir untersuchten Materialien auf Manganbasis aufgrund ihrer guten Leistung und geringen Kosten", erklärt Ruiz-Martínez. Bei NOx-Katalysatoren auf Manganbasis wurde in der Regel Cer als Dotierstoff verwendet, obwohl es keinen Konsens über die Rolle von Cer bei der NOx-Entfernung gab. "Der beste Weg, neue Katalysatoren zu entwickeln, ist, zuerst zu verstehen, wie diese Materialien funktionieren", sagt Ruiz-Martínez. Daher stellte das Team eine Reihe von Katalysatoren her, die unterschiedliche Mengen an Cer enthielten, um die Debatte zu klären.

Das Team entwickelte zunächst Methoden zur Herstellung jedes Katalysators mit einer homogenen Nanostruktur, um einen Vergleich zwischen ihnen zu ermöglichen. "Nachdem wir sichergestellt hatten, dass die Katalysatormaterialien unseren Vorstellungen entsprachen, suchten wir nach Korrelationen zwischen der katalytischen Aktivität und der Menge an Cer und Mangan", sagt Ruiz-Martínez. Nach Berücksichtigung der Unterschiede in der Katalysatoroberfläche zeigte das Team, dass die Anwesenheit von Cer die katalytische Aktivität der Manganatome verringert.

In früheren Studien, in denen Cer die katalytische NOx-Entfernung zu steigern schien, verschwand die scheinbar positive Wirkung von Cer, sobald das Team seine Auswirkungen auf die Katalysatoroberfläche berücksichtigt hatte. Das Cer hatte jedoch einen Vorteil: Es unterdrückte eine unerwünschte Nebenreaktion, bei der N2O entsteht. Da die N2O-Bildung wahrscheinlich die Beteiligung von zwei benachbarten Manganstellen erfordert, kann die Zugabe von Cer die Anzahl der Manganstellen an der Oberfläche verdünnen und so die Reaktion unterdrücken.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung aktiverer Katalysatormaterialien eine Maximierung der Manganatome auf der Katalysatoroberfläche erfordert und dass diese Manganatome in atomaren Abständen angeordnet sein müssen, um die Bildung von N2O zu vermeiden", sagt Ruiz-Martínez. "Wir entwerfen jetzt Katalysatoren, bei denen das Mangan atomar auf der Oberfläche verteilt ist, und die Ergebnisse sind äußerst vielversprechend."

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