Einfluss des Partikelkontaktes auf die katalytische Kohlenstoffoxidation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vor dem Hintergrund, dass es bisher nicht gelungen ist, funktionsfähige, bei niedrigen Temperaturen selbst regenerierende Dieselrußpartikelfilter (DPF) durch katalytische Imprägnierung herzustellen, wurde in diesem Projekt der Einfluss des Kontaktes zwischen Katalysator und Rußpartikeln auf die Oxidationsrate untersucht. Im ersten Zeitraum wurde an Pt-C-Partikelsystemen mit Direktkontakt gezeigt, dass Größe und Geometrie der Kontaktfläche kaum Einfluss auf die katalytisch bedingte Erhöhung der Oxidationsrate gegenüber der rein thermischen Oxidation haben. Durch Untersuchungen an unterschiedlichen Rußarten stellte sich heraus, dass die Wirkung des Katalysators in der Erhöhung der Produktion von aktivierten Sauerstoff-Spezies O* resultiert, während die Aktivierungsenergie für die eigentliche Rußoxidation im katalytischen und thermischen Fall gleich bleibt und nur von der Rußart bestimmt wird. Der C-Umsatz als Funktion der Oxidationsdauer konnte für „trockene“ Ruße, wie etwa PrintexU, gut mit dem Porenwachstumsmodell erfasst werden. Für Ruße mit einem geringeren C-Anteil, aber signifikanten O-Gehalten, wie dem Funkengeneratorruß, erwies sich dagegen das Pseudo-Reaction-Order-Modell als adäquater, da es den sich mit zunehmendem Umsatz ändernden chemischen Reaktionen an der Oxidationsfront besser Rechnung trägt. Da in Rußpartikelschichten realer DPF aber kaum Direktkontakte vorliegen, wurde im zweiten Antragszeitraum der Transport der oxidierenden Sauerstoffatome O* von den aktivierenden Pt-Katalysatorpartikeln zu den C-Partikeln untersucht. Dazu wurde Schichten aus Pt- und C-Nanopartikeln erzeugt, die sich in Geometrie und Durchströmung unterschieden. Als Obergrenze für die Oxidationsrate wurden homogen gemischte Pt-C-Partikelschichten untersucht, die durch gleichzeitige Oberflächenfiltration den beiden Aerosole erzeugt wurden, während als Untergrenze die rein thermische Oxidation von C-Schichten betrachtet wurde. Dazwischen liegen getrennte Pt- und C-Schichten, deren Abstand über eine Zwischenschicht aus SiO2-Partikeln oder über einen Luftspalt variiert werden konnte. Der Transport über die Oberfläche (so genannter Spillover) trägt zwar zur effektiven Oxidation bei, bleibt aber lokal auf die Umgebung des Katalysators (<<40µm) beschränkt. Entgegen der gängigen Lehrmeinung wurde dagegen der Gasphasentransport von O* bestätigt und seine Reichweite mittels konvektivem Transport erstmals quantifiziert. Aufgrund der im Vergleich zu typischen Rußschichtdicken großen Reichweite des Gasphasentransports von O* erwiesen sich die eingangs angestrebten Modelle zur Beschreibung der lokalen Strukturänderungen der C-Schicht als unnötig. Vielmehr kann der Oxidationsverlauf als homogen über der C-Schicht betrachtet und mit den oben aufgeführten Modellen beschrieben werden. Dagegen ist die zeitliche Abnahme der Pt-Oberfläche bei erhöhten Temperaturen aufgrund von Sinterprozessen zu berücksichtigen. Neue eigene Ansätze zur Herstellung von hochtemperaturstabilen TiO2-Nanopartikeln könnten hier auf die Stabilisierung von Metall-Nanopartikel- Katalysatoren übertragen werden. Die gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich Transportmechanismus und Reichweite von aktivierten Sauerstoff-Spezies bieten hilfreiche Ansätze für die Realisierung von katalytisch imprägnierten DPF mit entsprechender Geometrie des Katalysators.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- The effect of the contact between platinum and soot particles on the catalytic oxidation of soot deposits on a Diesel particle filter, Appl. Catalysis B: Environmental, 71, 271-278, (2007)
K. Hinot, H. Burtscher, A.P. Weber, G. Kasper
- Catalytic soot oxidation mechanisms in structured layers of nanoparticles, 15. ETH-Conf. on Combustion Nanoparticles, August (2011)
L. Zeng, A.P. Weber
- Spillover-bedingte Reichweite von aktivierten Sauerstoffatomen in der katalytischen Rußoxidation an Nanopartikel-Schichtsystemen, CIT 83 (8), 1276-1281, (2011)
L. Zeng, T. Turek, A.P. Weber
- Untersuchung der katalyt. Rußoxidation an Nanopartikel-Schichtsystemen, Symp. „Produktgestaltung in der Partikeltechnolgie“, Fraunh.ICT Pfinztal (2011)
L. Zeng, A.P. Weber
- Untersuchung der katalytischen Rußoxidation an Nanopartikel- Schichtsystemen, VDI-Fachausschuss Partikelmesstechnik, Clausthal-Zellerfeld (2011)
L. Zeng, A.P. Weber
- Transportmechanismen für aktivierten Sauerstoff in der katalytischen Rußoxidation an Nanopartikel-Schichtsystemen, CIT 84 (3), 295-300, (2012)
L. Zeng, A.P. Weber
