Stranz, Dominic (2017)
Untersuchung der Einspeicherung von Stickstoffoxiden in Cerdioxid mittels simultaner Raman- und Gasphasen-FTIR-Spektroskopie.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Versuchsapparatur konzipiert, mit der es möglich war, Ramanspektren einer festen NOx-Speicherkomponente und FTIR-Spektren der Gasphase simultan unter Reaktionsbedingungen aufzunehmen.

Dieser Aufbau wurde dazu verwendet, um die Einspeicherung von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in Proben von Cerdioxid bei Raumtemperatur und bei 200°C zu untersuchen, die durch Kalzinierung aus Cer(III)nitrat-Hexahydrat bei unterschiedlich hohen Temperaturen von 450°C, 600°C, 750°C und 900°C hergestellt wurden.

Mit der Ramanspektroskopie konnten die Veränderungen an der CeO2-Oberfläche, die durch die Einspeicherung der Stickstoffoxide hervorgerufen wurden, charakterisiert werden, wäh-rend mit der FTIR-Spektroskopie die quantitative Zusammensetzung des resultierenden Ab-gases bestimmbar war, wodurch sich Rückschlüsse auf die Speicherfähigkeit der jeweiligen CeO2-Probe ziehen ließen.

Die wichtigsten Ergebnisse, die durch die Auswertung der Ramanspektren ersichtlich wurden, sind die Verringerung an Oberflächendefekten im Cerdioxid durch die Einspeicherung von Stickstoffoxiden und die Bildung von Nitraten. Unabhängig davon ob die Reaktion bei Raumtemperatur oder bei 200°C ablief, ließen sich immer freies und einzähniges Nitrat auf der Oberfläche des CeO2 nachweisen. Verbrücktes Nitrat entstand nur bei Raumtemperatur und zweizähniges nur bei 200°C. Wurde Stickstoffdioxid bei Raumtemperatur in Cerdioxid einge-speichert und anschließend die Umgebungstemperatur erhöht, so ließ sich beobachten, dass sich das verbrückte Nitrat in zweizähniges umwandelte.

Diese Beobachtungen konnten aber nur bei Proben gemacht werden, die bei 450°C, 600°C und 750°C kalziniert wurden. Bei der CeO2-Probe, die bei 900°C kalziniert wurde, ließ sich mit der Ramanspektroskopie keine Einspeicherung von Stickstoffoxiden mehr feststellen.

Durch die Auswertung der FTIR-Spektren stellte sich heraus, dass die Speicherkapazität des Cerdioxids für beide Stickstoffoxide mit steigender Kalziniertemperatur kontinuierlich ab-nimmt und damit dem gleichen Verlauf folgt wie die spezifische Oberfläche, die ebenfalls durch hohe Temperaturen verringert wird.

Weiterhin konnte festgestellt werden, dass Stickstoffdioxid unter allen Reaktionsbedingungen in größeren Mengen vom Cerdioxid eingespeichert wird als Stickstoffmonoxid. Deshalb ist es für eine effektive Reduktion der NOx-Emissionen stets vorteilhaft im Abgasstrom vorhande-nes Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid zu oxidieren. Ein weiteres wichtiges Ergebnis stellt die Tatsache dar, dass das Speichermaterial mehr Stickstoffoxid einspeichern konnte, wenn die Reaktion bei Raumtemperatur stattfand und nicht bei 200°C.

Außerdem konnte gezeigt werden, dass sich die Imprägnierung von Platin durchaus positiv auf die Eigenschaften des Cerdioxids auswirkt. Es stabilisiert dessen Oberfläche, so dass de-ren Abnahme bei thermischer Belastung geringer ausfällt. Wenn das CeO2 kein Platin enthält, fällt die Abnahme bei thermischer Belastung größer aus. Das Platin erhöht zudem die Spei-cherkapazität des Cerdioxids, so dass Stickstoffdioxid effektiver aus dem stickstoffoxidhalti-gen Abgas entfernt werden kann.

Entsprechend den Ergebnissen sind die optimalen Bedingungen, um Stickstoffoxide effektiv mit cerdioxidhaltigen Speichermaterialien aus Abgasströmen zu entfernen, ein hoher Anteil an Stickstoffdioxid und eine niedrige Temperatur (<200°C).

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