3D-Charakterisierung von Washcoatschichten für die Simulation von Reaktion-Diffusionsprozessen in Ammoniakschlupfkatalysatoren

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Modellierung von 3D-Washcoatschichten in Autoabgaskatalysatoren. Ziel ist die Bestimmung von volumengemittelten, effektiven Diffusionskoeffizienten für die Simulation des Stofftransports in Katalysatorschichten sowie die Untersuchung des Einflusses von inhomogener Washcoatverteilung in monolithischen Substraten. Als Charakterisierungsmethode zur Bestimmung der Porenstruktur dient die FIB-SEM-Tomographie. Durch Segmentierung werden dreidimensionale Geometrien der porösen Washcoatschicht erzeugt. Mithilfe von Simulationsprogrammen, darunter ein eigens erstelltes Programm auf Basis von Random Walk, werden volumengemittelte, effektive Diffusionskoeffizienten berechnet und zeigen eine Diskrepanz zu literaturbekannten Diffusionskoeffizienten aus Umsatzexperimenten. Dieser augenscheinliche Konsens in der Literatur wird durch die Ergebnisse auf Basis von FIB-SEM hinterfragt. Um den Einfluss inhomogener Washcoatverteilungen in monolithischen Substraten zu untersuchen wird ein 2D+1D-Modell eines Ammoniakschlupfkatalysators mit zwei Schichten erstellt und gegen ein 1D+1D-Monolithreaktormodell validiert. Im 2D+1D-Modell werden der NH3-Oxidationsmechanismus in der unteren und der SCR-Mechanismus in der oberen Schicht durch Splines abgebildet. Um den Einfluss von Diffusion in den Substratwänden zu untersuchen, wird ein 2D-Porenskalenmodell einer porösen, beschichteten Filterwand erstellt. Anhand der Ergebnisse des 2D-Porenskalenmodells wird die Diffusion im Washcoat über einen Katalysatorwirkungsgrad berücksichtigt. Die Strömung in durch die Filterwand wird über die Verweilzeitverteilung beschrieben. Auf Basis der Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen wird ein einfaches Ersatzmodell erstellt.

This work focuses on the characterization and modeling of 3D washcoat layers in automotive exhaust catalysts. The aim is to determine volume-averaged, effective diffusion coefficients for simulating mass transport in catalyst layers, as well as to investigate the influence of inhomogeneous washcoat distribution in monolithic substrates. FIB-SEM tomography is used as characterization method to determine the pore structure. Through segmentation, three-dimensional geometries of the porous washcoat layer are generated. Using simulation programs, including a self-written program based on Random Walk, volume-averaged, effective diffusion coefficients are calculated, which show a discrepancy from diffusion coefficients in literature derived from conversion experiments. This apparent consensus in the literature is challenged by the results based on FIB-SEM. To investigate the impact of inhomogeneous washcoat distributions in monolithic substrates, a 2D+1D model of a dual layer ammonia slip catalyst is created and validated against a 1D+1D monolith reactor model. In the 2D+1D model, the NH₃ oxidation mechanism in the bottom layer and the SCR mechanism in the top layer are represented using splines. To examine the effect of diffusion in the substrate wall, a 2D pore-scale model of a porous, coated filter wall is created. Based on the results of the 2D pore-scale model, diffusion in the washcoat is considered via catalyst efficiency. The flow through the filter wall is described by its residence time distribution. Based on the findings of the conducted investigations, a simple surrogate model is developed.