Angesichts der durch Fahrzeuge verursachten Schadstoffe, die zur Verschlechterung der Luftqualität beitragen, erlassen Regierungen auf der ganzen Welt strengere Emissionsvorschriften für Kraftfahrzeuge. Dies erfordert die Entwicklung effizienterer Abgasnachbehandlungssysteme, d. h. Systeme zur „Reinigung“ von Abgas, bevor es in die Atmosphäre freigesetzt wird).
Der gebräuchlichste Modus zum Behandeln von Abgasemissionen von benzinbetriebenen Verbrennungsmotoren sind Dreiwegekatalysatoren (TWCs) oder Katalysatoren. TWCs umfassen häufig aktive Metalle wie Platin (Pt)- und Palladium (Pd)-Nanopartikel und Sauerstoffspeichermaterialien mit einer großen spezifischen Oberfläche, wie z. B. eine feste Lösung von CeO2-ZrO2(CZ). Diese Komponenten können mehrere Oxidations- und Reduktionsreaktionen katalysieren, die schädliche Abgase von Fahrzeugmotoren in harmlose Gase umwandeln können.
Die Haltbarkeit, Präzision und Leistung eines TWC hängt von Faktoren wie dem Sauerstoff ab, der in der Masse und Oberfläche der Sauerstoffspeichermaterialien gespeichert oder daraus entfernt wird. Daher ist ein klares Verständnis des Sauerstofftransports und der Dynamik des Speichermaterials notwendig, um seine Effizienz zu verbessern. Leider mangelt es an Techniken, die eine direkte Verfolgung des Sauerstoffspeicherprozesses in TWCs ermöglichen.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Zeitschrift für VerfahrenstechnikEin Forscherteam unter der Leitung von Assistant Professor Tsuyoshi Nagasawa vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) präsentierte jedoch eine Lösung für das Problem. Das Team entwickelte eine neuartige Technik zur direkten Visualisierung des Sauerstoffspeicherprozesses in Pd/CZ-TWCs unter Verwendung der Isotopenlöschtechnik.
Prof. Nagasawa erklärt: „Es ist schwierig, Klarheit über die dynamischen Wechselwirkungen – wie Sauerstoffadsorption/-desorption und Oberflächen-/Massendiffusion – zu bekommen, die auf TWC-Oberflächen auftreten, da sie nur indirekt aus der Valenzänderung von Cer in CZ geschätzt werden können, oder die Oxidationsstufe des Edelmetalls. Unsere Methode übertrifft diese Probleme jedoch, indem sie Isotopenmarkierung mit Reaktionslöschung integriert, was es uns ermöglicht, die Sauerstoffspeicherprozesse zu untersuchen, indem wir das an diesen Wechselwirkungen beteiligte 18O-Isotop verfolgen.“
Das Team bereitete ein TWC-Modell vor, das aus einem Edelmetall, Pd, und einem dichten CZ-Substrat bestand, speicherte 18O2 darin bei 600 °C und kühlte den Katalysator dann mit zwei Heliumgasdüsen ab, die mit einem Wasserkühlmantel bedeckt waren. Anschließend verwendeten sie hochauflösende Sekundärionen-Massenspektrometrie, um die 18O-Verteilung auf der Oberfläche und Masse von Pd/CZ zu analysieren.
Die Ergebnisse zeigten, dass Pd die Diffusionstiefe von 18O in die CZ-Masse sowie seine Oberflächenkonzentration verbessert. Es zeigte sich ferner, dass 18O bevorzugt an der Pd/CZ-Grenzfläche adsorbiert wurde im Vergleich zum Pd-Zentrum, wo seine Konzentration geringer war. Dichtefunktionaltheoretische Berechnungen stimmten ebenfalls mit diesen Beobachtungen überein.
Schließlich berechnete das Team die lokalen Sauerstofffreisetzungs-/Speicherraten durch Vergleich der 18O-Verteilung und einer Sauerstofffreisetzungs-/Speichersimulation unter Verwendung einer Diffusionsgleichung. Sie fanden heraus, dass die lokalen Raten vergleichbar waren und mit konventionellen Messungen der Sauerstoffspeicherkapazität übereinstimmten.
Dieser neue Visualisierungsprozess bietet nützliche Einblicke in die Sauerstoffspeicher- und -freisetzungsmechanismen in Metall/Sauerstoff-Materialsystemen und kann verwendet werden, um die Leistung und Effizienz von TWCs, die für die Behandlung von Automobilabgasen verwendet werden, weiter zu untersuchen und zu verbessern.
„Die flüchtigen organischen Verbindungen und Oxide von Stickstoff und Kohlenstoff, die üblicherweise von Verbrennungsmotoren produziert werden, können, wenn sie ohne Behandlung freigesetzt werden, nicht nur atembedingte Gesundheitsprobleme verursachen, sondern auch indirekt die Beschleunigung der globalen Erwärmung beeinflussen. Mit unserer Studie wollten wir einen Beitrag leisten auf die weltweite Mission, bessere Emissionspraktiken zu erreichen“, schließt Prof. Nagasawa.
Mehr Informationen:
Tsuyoshi Nagasawa et al, Visualisierung des Sauerstoffspeicherprozesses in einem Pd/CeO2-ZrO2-Dreiwegekatalysator basierend auf der Isotopenlöschtechnik, Zeitschrift für Verfahrenstechnik (2022). DOI: 10.1016/j.cej.2022.139937