Catalytic formation of ammonia from nitric oxide
Doktorsavhandling, 2016

The emission of nitrogen oxides (NOx) from automobiles results in severe environmental and biological effects. Passive selective catalytic reduction (passive SCR) of NOx with ammonia (NH3) is a proposed method for abatement of NOx emissions in net lean-burn gasoline passenger vehicles. The principle idea of this technique is to selectively reduce NOx to nitrogen and water in the presence of excess oxygen by utilising a supply of NH3 that has been formed onboard the vehicle over an ammonia formation catalyst (AFC). The aim of this thesis work is to deepen the understanding of how ammonia can be formed from nitric oxide over noble metal based catalysts. A bottom-up methodology has been employed where model catalysts with increasing complexity have been synthesised and characterised with several methods (BET, ICP-OES, XRD and TEM). The catalytic activity and selectivity for NH3 formation have been studied using steady-state and transient experiments in chemical flow-reactors. Also, a number of in situ and operando experimental techniques, including infrared and X-ray absorption spectroscopy, have been used to reveal catalyst structure-function relationships. This thesis shows that Pd/Ce/Al2O3 is a promising base for AFC formulations. This AFC exhibits high activity for NH3 formation in the presence of model feed gas mixtures using either a direct source of hydrogen or hydrogen formed via the water-gas-shift reaction. It also has higher NH3 formation activity than a three-way catalyst when using complex feed compositions containing reactants relevant to those one may encounter onboard lean-burn gasoline vehicles. The suppression of ammonia formation in net-oxidizing feeds is also investigated. In addition to oxidation of the reductant, a rapid growth in metal-oxides occurs as the feed becomes net-oxidizing. When oxidized, weak interaction between the noble metal phase and NO occurs, resulting in negligible NO dissociation. As dissociative adsorption of NO is a prerequisite step for NH3 formation, this is identified as the limiting step for NH3 formation from NO and H2 in net-oxidizing conditions. Further, low-temperature ammonia formation is proposed as an important future area of research and the expansion towards utilisation of renewable fuels (alcohols) may open for even more efficient NH3 formation over suitable catalysts.

NOx reduction

Passive-SCR

In situ characterisation

Environmental heterogeneous catalysis

Ammonia formation

PJ, Physics Building
Opponent: Dr Robert McCabe, National Science Foundation, USA

Författare

Emma Adams

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi, Teknisk ytkemi

Structure-function relationship for alumina supported platinum during formation of ammonia from nitrogen oxide and hydrogen in presence of oxygen

Physical Chemistry Chemical Physics,; Vol. 18(2016)p. 10850-10855

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ammonia formation over supported platinum and palladium catalysts

Applied Catalysis B: Environmental,; Vol. 165(2015)p. 10-19

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ammonia formation over Pd/Al2O3 modified with cerium and barium

Catalysis Today,; Vol. 267(2016)p. 210-216

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Adams, E. C, Hellman, A, Skoglundh, M, Nilsson, J, Martin, N. M, Agostini, G, Mathon, O, Carlsson, P-A. Operando spectroscopic study of ammonia formation over Pd/Ce/Alumina

Adams, E. C, Skoglundh, M, Elmoe, T, Carlsson, P-A. Water-gas-shift assisted ammonia formation over Pd/Ce/Alumina

Adams, E. C, Skoglundh, M, Carlsson, P-A. Ammonia formation from nitrogen oxide over Pd-based catalysts in complex feed gas compositions

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Transport

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Kemiteknik

Kemi

ISBN

978-91-7597-477-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4158

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

PJ, Physics Building

Opponent: Dr Robert McCabe, National Science Foundation, USA

Mer information

Skapat

2016-09-27