Katalysatoren für Dieselmotoren optimieren
Der Güterverkehr ist in hohem Maße auf Dieselmotoren angewiesen. Bei der Kraftstoffverbrennung oxidieren Dieselmotoren einen Teil des Stickstoffs in der Luft, was zur Freisetzung von Stickoxiden führt. Diese Verbindungen tragen zum Smog bei und wirken sich dementsprechend negativ auf die Luftqualität und die öffentliche Gesundheit aus. Um solche schädlichen Verbindungen zu reduzieren, sind Dieselmotoren mit Katalysatoren ausgestattet, doch die derzeitigen Katalysatoren bauen mit der Zeit ab. Das Projekt CHASS(öffnet in neuem Fenster), das über die Marie Skłodowska-Curie-Maßnahme(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wird, suchte auf molekularer Ebene nach den Ursachen für die Desaktivierung der Katalysatoren.
Kupfer-Zeolithen verstehen
Zeolithe sind natürlich vorkommende Mineralien mit einer mikroporösen Kristallstruktur. Aufgrund ihrer strukturellen und chemischen Eigenschaften eignen sie sich für den Einsatz als Katalysatoren: Sie können die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen, ohne dass eine dauerhafte chemische Veränderung eintritt. Neben natürlich vorkommenden Zeolithen gibt es viele synthetische Beispiele, darunter kupferhaltige Zeolithe(öffnet in neuem Fenster), die dem Industriestandard für den Einsatz in Dieselmotoren entsprechen. Kupfer-Zeolithe, insbesondere Kupfer-Chabasit-Zeolithe, auf die das Projekt abzielt, sind in der Lage, die Stickoxide in den Abgasen von Dieselmotoren zu reduzieren. Zwei Faktoren führen jedoch dazu, dass der Katalysator mit der Zeit schwächer wird. Wenn Dieselabgassysteme zu heiß werden, insbesondere oberhalb des idealen Funktionsbereichs von 150-500 °C, können Kupfer-Zeolithe zerfallen. Zudem sind diese Katalysatoren besonders empfindlich gegenüber geringen Mengen von Schwefeldioxid, das häufig bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff entsteht.
Komplementäre Ansätze für das Verständnis der Katalysator-Desaktivierung
CHASS brachte vier Doktoranden an einen Tisch, die jeweils einen eigenen Ansatz für das Verständnis des Katalysator-Verhaltens auf molekularer Ebene verfolgten. Quantenmechanische Berechnungen ermöglichten eine Modellierung basierend auf der Dichtefunktionaltheorie(öffnet in neuem Fenster). Sie wurden durch Reaktor-Strömungsexperimente zur Schwefelvergiftung ergänzt. Projektkoordinatorin Gloria Berlier erklärt: „Quantenmechanische Berechnungen wurden unter anderem verwendet, um die hydrothermale Alterung des Katalysators auf atomarer Ebene zu beschreiben, ein mikrokinetisches Modell für Dealuminierung(öffnet in neuem Fenster) zu erstellen und die Interpretation der experimentell untersuchten Auswirkungen von Wasser auf die Reaktion zu erleichtern.“ Darüber hinaus stützte sich CHASS auf Modelle mit anderen Ansätzen. In-situ- und operando-Ergebnisse mithilfe von spektroskopischer Charakterisierung(öffnet in neuem Fenster) wurden verwendet, um ein Modell der Schwefel-Desaktivierung zu entwickeln. Die Materialzusammensetzung und die experimentellen Daten dienten als Grundlage für Modelle der hydrothermalen Alterung von Katalysatoren.
Einblicke auf atomarer Ebene
Die Projektergebnisse verbesserten das wissenschaftliche Verständnis dafür, wie und warum Katalysatoren von Dieselmotoren desaktiviert werden. Da Katalysatoren dynamisch sind, lassen sich die Wege der atomaren Reorganisation, die durch eine Reaktion ausgelöst werden, nicht leicht nachverfolgen. Durch die Berechnung der Verteilung und Diffusion von Kupfer-Ionen(öffnet in neuem Fenster) im Zeolith und die Beschreibung der Bewegungen von Aluminiumatomen im Katalysator hat CHASS einen einzigartigen Einblick in die Reaktionswege geliefert, die das Kupfer-Chabasit-Material beeinflussen. „Wir konnten die Kupfer-Stellen identifizieren, die empfindlicher auf Schwefelvergiftung reagieren, und haben einen Reaktionsmechanismus vorgeschlagen, der mit den experimentellen Ergebnissen vereinbar ist. Wir haben gezeigt, dass die Vergiftungswirkung von Schwefel in Form von Schwefeldioxid sehr stark von der Zusammensetzung und der Vorbehandlung des Katalysators abhängt“, erläutert Berlier. Europa plant die schrittweise Abschaffung von Fahrzeugen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, nach 2035, während Dieselmotoren durch eine umweltfreundliche Alternative ersetzt werden müssen, wie etwa Wasserstoffverbrennungsmotoren. Die Arbeit der Nachwuchsforscher im Rahmen des Projekts CHASS ist der Wegbereiter für bahnbrechende Fortschritte bei der Entwicklung neuer Katalysatoren, die für kohlenstoffarme Zukunftstechnologien benötigt werden.
