Catalytic formation of ammonia from nitric oxide

Doctoral thesis, 2016

Växande medvetenhet kring global uppvärmning och försämrad luftkvalitet i städer ställer hårda krav på minskade utsläpp av växthusgaser samt miljö- och hälsofarliga emissioner av kväveoxider (NOx) från transporter. Efterfrågan på större rörlighet med både bilar och bussar accentuerar behovet av att ytterligare minska bränsleförbrukning såväl som utsläpp från dessa transportslag. En lovande teknik för att minska bränsleförbrukningen för bensinbilar är att låta förbränningen ske i överskott av luft. Detta ger en mer effektiv förbränning där en större andel av bränslet förbränns fullständigt. En olycklig sidoeffekt är dock att omvandling av kväveoxider till kvävgas, som sker med hjälp av katalysatorer i avgassystemet, blir problematisk när överskott av luftsyre finns närvarande. Den kemiska utmaningen är att NOx skall reduceras i en oxiderande miljö.

Ett koncept som tillämpas för att minska NOx-emissioner från tunga dieselfordon är så kallad selektiv katalytisk reduktion (SCR) av NOx med ammoniak (NH3). Här tillsätts en vattenbaserad urealösning till avgasen, som när den värms upp sönderfaller till bland annat ammoniak. Ammoniaken reagerar sedan med NOx över en katalysator för att bilda kvävgas och vatten. Tekniken medför att en extra tank för urealösning samt insprutningssystem och styrning av detta måste utformas. Detta fungerar väl för bussar och lastbilar men är mycket utmanande för personbilar. Utrymmesbrist, systemkostnad och praktisk hantering av urealösning är några starkt försvårande skäl. Mot denna bakgrund växer en ny alternativ teknik fram som kallas för passiv-SCR. Den bygger på att NOx och väteinnehållande komponenter såsom vatten i avgasen under syrefattiga förhållanden omvandlas till ammoniak med hjälp av en katalysator. Ammoniaken lagras sedan på en traditionell SCR-katalysator och används för reduktion av NOx under syrerika förhållanden.

Denna avhandling behandlar katalytisk omvandling av kväveoxid till ammoniak under förhållanden relevanta för passiv-SCR för bensindrivna bilar. Syftet är att fördjupa förståelsen kring hur katalytisk ammoniakbildning från kväveoxid beror på avgassammansättning och katalysatorformulering (materialval) som ett led i att finna svar på möjligheter och begränsningar med konceptet. För att gagna ökad förståelse har en metodik använts där komplexiteten i gassammansättningar och katalysatorformuleringar systematiskt ökats från enkla modellsystem till fullformulerade system. Vidare, har avancerade röntgenbaserade metoder använts för att studera, på atomär nivå, hur katalysatormaterialet förändras när avgasen växlar mellan syrefattig och syrerik, och hur detta påverkar ammoniakbildningen.