Entwicklung einer Hochdurchsatztechnologie für Dieselabgaskatalysatoren und deren Anwendung für die Evaluierung der chemischen Deaktivierung von Fe-Zeolith-NH3-SCR-Katalysatoren

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer neuartigen Hochdurchsatztechnologie fur Aktivitatsuntersuchungen an Katalysatoren fur die Entstickung von Dieselabgasen sowie die Anwendung des erstellten Aufbaus fur die Untersuchung der chemischen Deaktivierung von Fe-Zeolith-Katalysatoren fur die NH3-SCR-Reaktion. In Folge der Mitverbrennung von Schmiermitteladditiven und Treibstoffverunreinigungen im Zylinderraum werden unterschiedliche anorganische Aschebildner durch das Abgasnachbehandlungssystem eines Diesel-Automobils durchgesetzt. Die entwickelte Hochdurchsatztechnik gestattete die schnelle Evaluierung moglicher deaktivierender Wirkungen einer Vielzahl potentieller anorganischer Katalysatorgifte fur Fe-BEA und Fe-MFI-NH3-SCR-Katalysatoren. Dabei wurden als Reaktorsysteme bzw. als Katalysatorbibliotheken mit Aktivmaterial beschichtete, keramische Wabenkorper genutzt. Derartige „Monolithe“ kommen auch im Automobil zum Einsatz, so dass die entwickelte Hochdurchsatztechnik die reaktionstechnischen Gegebenheiten der Autoabgaskatalyse so gut wie moglich abbildet. Es wurde festgestellt, dass insbesondere der Eintrag von Alkali- und Erdalkalimetallen (Quellen: z.B. Dungemittelruckstande in Biodiesel bzw. calcium- oder magnesiumhaltige Schmiermitteladditive) sowie der Eintrag von Zink und Phosphaten (Quelle: z.B. das Schmiermitteladditiv ZDDP) zu Aktivitatsverlusten von Fe-Zeolith-Katalysatoren in der selektiven Reduktion von Stickoxid mit Ammoniak fuhren kann. Als starkste Katalysatorgifte wurden in Hochdurchsatzuntersuchungen das Magnesium und das Zink identifiziert. Der Eintrag von jeweils 2 Ma. % Zn bzw. Mg fuhrte zum vollstandigen Aktivitatsverlust der untersuchten Fe-BEA-Katalysatoren und zu einem Aktivitatsruckgang von ca. 70 % beim untersuchten Fe-MFI-Katalysator. Alkalimetalle (K, Na) und Phosphate fuhrten in einer Konzentration von 2 Ma. % zu Aktivitatsruckgangen von 40-60 %. Wichtige Resultate, die im miniaturisierten Reaktionssystem fur Hochdurchsatzuntersuchungen erhalten wurden, wurden in einer realitatsnaheren Reaktorgeometrie verifiziert („Scale-up“). Weiterhin wurden durch die physikalisch-chemische Charakterisierung (temperaturprogrammierte Desorption von NH3 und NO2, temperaturprogrammierte Reduktion, Rontgendiffraktometrie, Kernresonanzspektroskopie, Physisorptionsuntersuchungen) ausgewahlter Proben Hinweise auf die Wirkweise einiger Katalysatorgifte erhalten. In Folge des Eintrags basischer Metalle wird die Sorptionskonstante in Bezug auf das Reduktionsmittel Ammoniak verringert. Aktivitatsverluste werden nur beobachtet, wenn die Oberflachenkonzentration von Ammoniak im Vergleich zu der der Stickoxide niedrig ist. Folglich ist die deaktivierende Wirkung des Kaliums auf Fe-Zeolith-SCR-Katalysatoren auch abhangig vom Partialdruck des Reduktionsmittels im Eintrittsstrom und bei niedrigen Konzentrationen (z.B. bei Regelung der NH3-Dosierung auf niedrige Konzentration im Austrittsstrom) besonders stark ausgepragt. Phosphate reagieren einerseits mit sauren Zentren des Zeolithgitters im Sinn einer Saure-Base-Reaktion, werden andererseits aber auch irreversibel an Eisenzentren chemisorbiert. Es kommt zu einer partiellen Blockade von aktiven Eisenzentren („Katalysatorfouling“). Die Sorptionskonstante in Bezug auf Stickstoffmonoxid wird so verringert und der Auftaktschritt der Standard-NH3-SCR-Reaktion, die Oxidation von Stickstoffmonoxid am Eisenzentrum, wird inhibiert.