Chemical aging and regeneration of Lean NOx traps
- Reference number
- ID15-0030
- Start and end dates
- 160101-201231
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Vehicles emit nitrogen oxides (NOx) and since NOx increases the formation of smog, acidification and respiratory problems it is critical to decrease the emissions of NOx. One method for this is Lean NOx traps (LNT), however these catalysts are poisoned. The objective of this Industrial PhD student project is therefore to study the chemical poisoning and regeneration of the LNT in order to increase the durability and improve the fuel economy. The project will start by examining the reversible and irreversible poisoning using engine bench experiments at Volvo Cars. The resulting catalysts will be characterized in detail at Chalmers using e.g. flow reactors, micro-calorimetry, XRD, XPS, BET surface area, and TEM-EDS. Well-defined model catalysts will be synthesised in order to receive more details regarding the poisoning mechanism, using both experiments as well as kinetic modelling. Using the understanding received in the project, new material formulations will be examined and different regeneration strategies developed. Expected results from this project are: (i) regeneration strategies that varies during the life-time of the catalyst, (ii) heavy regeneration strategies to examine the possibility to remove some of the poisons that today are considered as irreversible, and (iii) with the understanding received from the project, develop catalysts that facilitate the regeneration of poisons and (iv) mathematical models that describes the reversible and irreversible poisoning.
Popular science description
I förbränningsprocessen i bil- och lastbilsmotorer bildas kväveoxider (NOx). NOx reagerar i luften med vatten och bildar salpetersyra. Denna syra hamnar i vår miljö via regn och snö och orsakar därigenom försurning. Salpetersyra är också giftigt för oss människor och leder till ökade luftvägsproblem. Vidare reagerar NOx med kolväten i avgaserna och bildar ozon som är en huvudkomponent i smog. Alla miljö och hälsomässiga problem gör det mycket tydligt att vi måste rena fordonsavgaserna från NOx. Ett sätt för detta är ett katalysatorkoncept som kallas för NOx fällor. I dessa fällor lagras NOx in under några minuter då det är syreöverskott i förbränningen, s.k. mager drift. Därefter görs en kort puls med mycket bränsle och då reduceras kväveoxiderna till ofarlig kvävgas, katalysatorn regenereras och kan därefter lagra NOx igen. Men detta katalysatorkoncept förgiftas lätt av bla svavel och katalysatorn måste därför regenereras från gifter. Vidare har man funnit att en del av gifterna inte kan regenereras och alltså är irreversibla, medan en del kan regenereras. Målet med detta industridoktorandprojekt är därför att systematiskt undersöka förgiftning och regenerering av NOx-fällor med syftet att öka hållbarheten och förbättra bränsleekonomin. Projektet kommer att starta med att undersöka den reversibla och irreversibla förgiftningen med motorbänkexperiment vid Volvo Cars. De resulterande katalysatorerna kommer att karakteriseras i detalj vid Chalmers där aktivitet och selektivitet kommer att mätas med flödesreaktorer, ytan kommer att mätas med BET, bindningsstyrkan av gifterna med mikrokalorimetri. Även röntgenmetoder (XRD och XPS) och transmissionselektron mikroskopi (TEM-EDS) kommer att användas för att studera kristallstruktur, oxidationstillstånd, morfologi och förgiftningsprofiler. Modellkatalysatorer kommer att syntetiseras för att få mer information om förgiftningsmekanismen, mha experiment och kinetikmodellering, där kinetikmodellen kommer att ha fokus på att skilja på reversibla och irreversibla gifter. Vidare, utifrån förståelsen vi fått i projektet kommer nya materialformuleringar att utvecklas för att ta fram katalysatormaterial som har bättre regenereringsmöjligheter. Ytterligare syfte med detta projekt är att utveckla olika regenereringsstrategier som tar hänsyn till den irreversibla och reversibla förgiftningen som sker under livstiden av katalysatorn och därigenom kunna öka livslängden av katalysatorn och minska bränsleförbrukningen.