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Chemische und strukturelle Untersuchung des Alterungsverhaltens von kommerziellen Dreiwegekatalysatoren

Hahn, Hanna Christine :
Chemische und strukturelle Untersuchung des Alterungsverhaltens von kommerziellen Dreiwegekatalysatoren.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Chemische und strukturelle Untersuchung des Alterungsverhaltens von kommerziellen Dreiwegekatalysatoren
Language: German
Abstract:

In der Automobilindustrie werden zur Gewährleistung der Dauerhaltbarkeit nach der Europäischen Abgasnorm üblicherweise zeitlich geraffte Motorprüfstandsalterungen zur Herstellung gealterter Dreiwegekatalysatoren verwendet. Diese Katalysatoren sollen je nach Abgasnorm einem straßengealterten Katalysator mit einer Laufleistung von z.B. 100.000 km entsprechen. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten wäre es wünschenswert, zum Erreichen einer gewünschten Katalysatorschädigung beispielsweise die Alterungstemperatur der Prüfstandsalterung zu erhöhen und somit Alterungs- und Entwicklungszeit gegenüber einer Straßenalterung einzusparen. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit kommerzielle Dreiwegekatalysatoren bei General Motors Powertrain – Germany GmbH unter Variation der Alterungstemperatur und -dauer am Motorenprüfstand gealtert und mit einem 100.000 km straßengealterten Katalysator verglichen. Anschließend wurden die Katalysatoren unter anderem hinsichtlich Aktivität, Kristallstruktur und chemischer Zusammensetzung mittels unterschiedlicher Analytikmethoden (REM, TEM, BET, XRD, XAS, RFA) untersucht und die Ergebnisse gegenübergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die durchgeführten Prüfstandsalterungen bezüglich der Performance der Umsetzung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid die Straßenalterung überhöht abbilden. Die Umsetzung von Stickoxiden wird hingegen gut durch die Prüfstandsalterung abgebildet. Nach Röntgenbeugung und anschließender Rietveldverfeinerung konnte nach vorliegender Literaturlage erstmals ein Strukturmodell für einen Washcoat eines kommerziellen Dreiwegekatalysators aufgestellt und die Phasenumwandlung des Sauerstoffspeichermaterials Cer/Zirkonoxid an prüfstandsgealterten Katalysatoren aber nicht am straßengealterten System detektiert werden. Diese strukturellen Ergebnisse decken sich mit den Ergebnissen aus dem Sauerstoffeinspeicherverhalten der Katalysatoren. Somit konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Änderung der Sauerstoffspeicherfähigkeit auf strukturelle Änderungen von Washcoat¬bestandteilen zurückgeführt werden. Zusätzlich wurden ebenfalls die Agglomerisation der Edelmetallpartikel, die Sinterung des Washcoatbasismaterials und die Vergiftung der Katalysatoren durch z.B. Motoröladditive untersucht. Von einer Erhöhung der Alterungstemperatur während der Prüfstandsalterung zur Verkürzung der Alterungs¬dauer muss abgeraten werden. Hierbei entsteht thermisch induziert eine verschärfte Desaktivierung durch z.B. Agglomeration von Aktivmetall oder Phasenseparation des Sauerstoffspeichermaterials. Weiterhin wird die Schädigung des gesamten Monolithen verschärft, aber die lokalen thermischen Schädigungen der Straßenalterung nur ungenügend durch die Prüfstandsalterung abgebildet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
To ensure the durability of a three-way catalyst for the European exhaust emission standards, in automotive industry the three-way catalysts are normally aged using a time-lapsed engine test bench. Depending on the emission standard these catalysts shall be equivalent to 100.000 km road aged catalysts. From an economic point of view, it is therefore desirable to increase, for example, the aging temperature of the test bench aging resulting in a desired deactivation of the catalyst and therefore reduce aging and development time compared to road aging. In this context commercial three-way catalysts were aged in the present work on an engine test bench at General Motors Powertrain – Germany GmbH under variation of aging temperature and duration. These aged catalysts were compared with a 100.000 km road aged catalyst. All catalysts were tested concerning their performance, crystal structure and chemical composition with different analytical methods (SEM, TEM, BET, XRD, XAS, and XRF) and the relevant findings were compared. This work showed that the performance for the conversion of unburned hydrocarbons and carbon monoxide of the conducted test bench aging did not represent the performance of road aging catalyst. The conversion of nitrogen oxides was represented well by the test bench aging. Based on the existing knowledge a structure model of a commercial washcoat could be developed for the first time with X-ray diffraction and subsequent Rietveld refinements. A phase separation of the oxygen storage component, cerium/zirconium oxide, could be detected only on the test bench aged catalysts and not on the road aged catalyst. These structural results are confirmed by the performance results of the oxygen storage properties. Thus, as part of this work the changes in the oxygen storage capacity could be attributed to structural changes of washcoat components. Additionally the agglomerisation of precious metals, the sintering of washcoat components and the poisoning of catalysts were investigated, for example caused by engine oil additives. It is, therefore, strongly recommended not to increase the aging temperature during the test bench aging to reduce the aging time. Due to the thermal induced deactivation a tightened deactivation was detected (e.g. agglomerisation of precious metals or phase separation of oxygen storage components). Furthermore, the damage of the whole monolith is intensifying, but the local thermal damages of the road aging have not been sufficiently shown by the test bench aging catalysts. English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Dreiwegekatalysator, Alterung, XRD
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Three-way catalysts (TWC), Aging, XRDEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Structure Research
Date Deposited: 12 Sep 2013 13:43
Last Modified: 12 Sep 2013 13:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35997
Referees: Fueß, Prof. Hartmut
Refereed: 29 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3599
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