Wetenschappers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hebben de reacties onderzocht van uitlaatgaskatalysatoren onder reële omstandigheden. Met behulp van röntgenstraling deden ze waarnemingen over de wisselwerkingen van de schadelijke stikstofmonoxide moleculen en het reductiemiddel ammoniak met de ijzer- en koperconcentraties, de metaal overgangsionen, waarbij de reactie plaatsvindt, in de katalysatoren Fe-ZSM-5 en Cu-SSZ-13. Hun resultaten kunnen bijdragen aan een verdere verbetering van de nabehandeling van uitlaatgassen.
Moderne katalysatoren voor de nabehandeling van uitlaatgassen bij voertuigen met een verbrandingsmotor hebben in belangrijke mate bijgedragen om schadelijke uitstoot te verminderen. Door oxidatie en reductie, afgeven dan wel opnemen van elektronen, zetten de uitlaatgaskatalysatoren schadelijke verbrandingsgassen als koolwaterstoffen, koolmonoxide en stikstofoxide om in kooldioxide, water en stikstof.
Reactiestappen uitlaatgaskatalysator
Steeds scherpere voorschriften van de wetgever eisen een verlaging van het brandstofverbruik en vermindering van de uitstoot van stikstofoxiden. Door toevoegen van ammoniak als reductiemiddel, dat wordt gevormd uit de ureumoplossing AdBlue in het voertuig, kan men stickoxide in de katalysator omzetten in onschadelijke stikstof en waterdamp. Hiervoor wordt de AdBlue voor de katalysator in de uitlaatgasstroom gespoten.
Voor de verbeteringen van katalysatoren is het noodzakelijk om de functie en de aparte reactiestappen goed te begrijpen. “Betrouwbare kennis over het verloop van de reacties kunnen alleen worden verkregen onder reële praktische reactieomstandigheden”, verklaart prof. Jan-Dierk Grunwaldt van de afdeling Chemische Technik und Katalyse aan het KIT. “Dat vereist het bekijken van de in werking zijnde katalysatoren. Synchrotronstralingsbronnen bieden hier uitstekende mogelijkheden”.
Synchrotronstraling
Synchrotronstraling is röntgenstraling met een energie van enkele tot honderden of zelfs een miljoen elektronenvolt. Hiermee kunnen de eigenschappen van de actieve metaalconcentraties in de katalysator en hun wisselwerking met de gasmoleculen worden bekeken. Daarvoor bestaan twee methoden: De röntgenabsorptie spectroscopie (XAS) maakt het mogelijk om de oxidatietoestand en het coördinatiegetal, (het waarde tot de volgende buur van een atoom), vast te stellen.
De röntgen emissiespectroscopie (XES) maakt het sinds kort ook mogelijk om de geabsorbeerde, in de katalysator opgenomen stoffen, te onderscheiden. Op deze manier kan worden bepaald, welke moleculen zorgen voor de reductie, als er een concurrerende absorptie plaatsvindt, waarmee wordt bedoeld, dat als meerdere stoffen concurreren om een opnameplaats in de katalysator en de manier waarop de aparte moleculen aan het metaalatoom samenwerken.
Een onderzoeksgroep rond prof. Jan-Dierk Grunwaldt samen met prof. Christoph R. Jacob, die onlangs werd aangesteld door het KIT aan de TU Braunschweig en dr. Pieter Glatzel van de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble/Frankrijk heeft nu voor het eerst beide methoden gecombineerd, om de reacties te onderzoeken bij twee in voertuigen toegepaste katalytisch actieve materialen onder praktische omstandigheden. Het gaat om de materialen Fe-ZSM-5 en Cu-SSZ-13. Beide materialen zijn gebaseerd op zeolieten, dat zijn speciale mineralen met een poreuze basisstructuur. De wetenschappers presenteren de resultaten van hun onderzoeken in het vaktijdschrift Chemical Communications.
De onderzoekers onderzochten en vergeleken met behulp van röntgentechnieken de wisselwerking van het molecuul stikstofmonoxide en het reductiemiddel ammoniak met de ijzer- en koperconcentraten. “Hoewel in principe dezelfde reactie plaatsvindt, hebben we voor de beide katalysatoren verschillende reactiewegen waargenomen”, aldus Tobias Günter, drs. Bij de afdeling Chemische Technik und Katalyse aan het KIT.
Rol ammoniak
Voor de reactie bij de Fe-ZSM-5-katalysator toonden de wetenschappers de absorptie aan van stikstofmonoxide via een positief geladen zuurstofatoom. Bij de Cu-SSZ-13-katalysator kwam dit gedrag echter niet voor. Omdat bovendien geen directe coördinatie plaatsvond met het stikstofatoom, gaan de onderzoekers uit van een reactie vanuit de gasfase met een mogelijke activering bij het ammoniakmolecuul. “Dit kan ook verklaren, waarom ammoniak de reactie bij de Fe-ZSM-5-katalysator hinderde, wat niet was vast te stellen bij de Cu-SSZ-13-katalysator”, verduidelijkt Tobias Günter.
De resultaten van Jan-Dierk Grunwaldt leveren belangrijke informaties voor modellen, om het gedrag van katalysatoren in bedrijf beter te kunnen voorspellen. “Onze aanpak met twee op röntgen gebaseerde methoden is niet alleen geschikt voor de genoemde materialen, maar kan gebruikt worden bij veel meer andere materialen en reacties”, zegt prof. Grunwaldt. In de toekomst kan deze aanpak de verdere ontwikkelingen en verbeteringen van uitlaatgaskatalysatoren belangrijk vooruitstuwen.
