Ny metodik för grundläggande kinetiska modeller i heterogenkatalys med hjälp av tvärvetenskapliga experiment
Forskningsprojekt, 2014
– 2019
Katalysatorer är ämnen som används för att öka reaktionshastigheten och är oerhört viktiga för kemisk industri. Katalysatorer är mycket komplexa och består av flera olika ämnen, som har olika egenskaper. För att göra systemen ytterligare komplexa, har samma ämne olika egenskaper beroende på den lokala miljön runt det aktiva sätet. I detta program skall vi utveckla en ny metodik för att utveckla fundamentala kinetikmodeller som kan beskriva effekten av hur de aktiva metallatomerna interagerar med strukturen. Detta är en generisk metod som kan användas i många tillämpningar. I detta program tillämpas den på katalys för emissionsrening från fordon. Mer specifikt kommer vi att i detalj studera effekten av elektroniska promotorer på aktivitet, selektivitet och stabilitet av metallnanopartiklar. Om en sur bärare eller promotor används i en katalysator påverkar de metallnanopartiklarna starkt. Eftersom materialet är surt betyder det att det är elektrofilt, och därigenom förskjuts elektrontäthet från metallpartiklarna till bärarmaterialet, vilket undertrycker metalloxidbildning. Emellertid har en alkalisk bärare/promotor motsatt verkan, eftersom den donerar elektrontäthet underlättar det oxidationen av metallpartiklarna. Oxidationstillståndet hos metallpartikeln är av avgörande betydelse för dess aktivitet och selektivitet och dessutom för den termiska stabiliteten. Det finns därför en stor potential för att utveckla nya material med hög aktivitet och stabilitet när man beaktar de grundläggande mekanismerna för elektroniska promotorer. Ett syfte med programmet är att utveckla nya materialkombinationer som ökar aktivitet och stabilitet med hjälp av dessa promotorer. Det finns ett ökat intresse för metanmotorer, och det är en stor fördel att biogas kan användas, vilket minskar problem med den globala uppvärmningen. Metan är en mycket stabil molekyl, som är svår att oxidera och det är viktigt att hitta en bättre lösning på detta, eftersom växthuseffekten är 21 gånger högre jämfört med CO2. Vi kommer i detta program att studera palladiumpartiklar på alumina som bärare för metanoxidation, och undersöka effekten av promotorer. Eftersom palladiumoxid är den mest aktiva formen för metanoxidation kommer vi att undersöka effekten av basiska promotorer för att öka aktiviteten för metanoxidation vid låga temperaturer. Dieseloxidationskatalysatorn (DOC) används för att oxidera oförbrända kolväten och kolmonoxid till CO2 och vatten. Ett problem med dessa katalysatorer är att platina migrerar. Efter DOC sitter en SCR-katalysator och platinan från DOC migrerar och hamnar på SCR-katalysatorn. Detta är ett mycket stort problem för aktiviteten hos SCR-katalysatorn, t.ex. har Ford sett detta problem efter bara 400h. Platina migrerar mycket lättare när det är i oxidisk form (10^11 gånger högre ångtryck för platinaoxid jämfört med platina) och aktiviteten är också lägre för platinaoxid. Ett sätt att minska platinaoxidbildningen är att använda sura promotorer, vilket vi kommer att göra i detta program för att utveckla nya katalysatorer som har högre aktivitet och bättre termisk stabilitet. För att nå målen kommer vi att kombinera en rad interdisciplinära experimentella metoder med metodutveckling av kinetikmodellering. Vi kommer att syntetisera katalysatorer, och karakterisera dem med många experimentella metoder. För att få ytterligare information om effekten av metallpartiklarnas morfologi och oxidationstal är flera forskningsbesök planerade; till Professor Oliver Kröcher i 12 månader (6 x 2) vid Paul Scherrer Institute för att använda XAS/IR och till Professor Randy Vander Wal vid Penn State University i 12 månader (6 x 2) för att mäta med HRTEM. Alla dessa tvärvetenskapliga resultat kommer att användas som bas för den kinetiska metodutvecklingen för att beskriva växelverkan mellan metallnanopartiklarna och promotorerna och bärarmaterialet. Signifikansen av detta program är att ny grundläggande metodik för kinetikmodellering kommer att utvecklas som kan beskriva samspelet mellan metallnanopartiklar och support/promotorer. Ett annat resultat från detta program är att utveckla nya katalytiska material med hjälp av elektroniska promotorer, för att öka lågtemperaturaktiviteten hos metanoxidationskatalysatorer och termisk stabilitet hos diesel oxidationskatalysatorer. Detta program unikt både i tillämpningen, samt ny metodik kommer att utvecklas genom att kombinera tvärvetenskapliga experiment med modellering.
Deltagare
Louise Olsson (kontakt)
Kemisk reaktionsteknik
Finansiering
Vetenskapsrådet (VR)
Projekt-id: 2014-5733
Finansierar Chalmers deltagande under 2014–2019