Nya material i katalysatorn ger bilen bättre bränsleeffektivitet

I alla nya bensindrivna personbilar sitter en så kallad trevägskatalysator som har till uppgift att rena avgaserna från kolväten, kolmonoxid och kväveoxider. Trevägskatalysatorn består av en komplex blandning av olika material. Några är katalytiskt aktiva medan andra är med för att öka den aktiva ytan. De material som står för den egentliga katalytiska aktiviteten är vanligtvis ädelmetallerna rodium, palladium och platina. Dessa är utlagda på ett bärarmaterial, vanligtvis kallat supportmaterial. Vid normala förhållanden erbjuder trevägskatalysatorn i stort sett en fullständig omvandling av de farliga gaserna som bildas vid förbränning av bensin.

Det finns dock två problem med katalysatorn. För att den skall fungera måste temperaturen vara tillräckligt hög. När bilen startas tar det en stund innan katalysatorn har värmts upp, och under tiden går avgaserna obehandlade genom den. Nya bensindrivna bilar släpper ut den större delen av farliga ämnen just under den perioden. Det andra problemet är relaterat till de ökande utsläppen av växthusgaser. Trevägskatalysatorn kräver ett speciellt luft/bränsle förhållande för att samtidigt kunna omvandla kolväten, kolmonoxid och kväveoxider till koldioxid, vatten och kvävgas. Detta innebär att det går åt mer bränsle under förbränningen än vad som egentligen krävs för att driva fordonet, vilket i sin tur leder till ökade koldioxidutsläpp.

För att öka bränsleeffektiviteten hos motorn och krävs ett syreöverskott i förbränningskammaren. Detta finns hos speciella typer av bensinmotorer och alltid hos dieselmotorer. En dieselmotor kan ha en bränsleförbrukning som är upp till 30 procent lägre än en motsvarande bensinmotor utrustad med en trevägskatalysator. Tyvärr innebär syreöverskottet vid förbränningen att katalysatorn inte klarar av en kontinuerlig rening av avgaserna med avseende på kväveoxider, vilket kräver nya lösningar. En sådan lösning bygger på att ha en periodisk syrerik/syrefattig förbränning i kombination med ett material som är kapabelt till reversibel kväveoxidinlagring i katalysatorn. Vid förbränning i syreöverskott lagras kväveoxider kemiskt i lagringsmaterialet. När lagringsmaterialet blir mättad omvandlas de lagrade kväveoxiderna till kvävgas genom korta bränslerika pulser. För att denna lösning skall fungera måste dock lagringsmaterial som klarar reversibel kväveoxidinlagring hittas. Det material som verkar mest lovande är bariumoxid (BaO).

I sitt doktorsarbete har Peter Broqvist med hjälp av datormodeller studerat alkaliska jordartsmetalloxider, antingen som lagringsmaterial för kväveoxider eller som supportmaterial för katalytiskt aktiva material. Den metod som han använt bygger på beräkningar av elektrontätheten. Metoden innebär att man i detalj kan studera olika materials struktur och egenskaper. Inom området katalys kan man dels studera materialegenskaper hos de katalytiskt aktiva materialen dels undersöka hur molekyler interagerar med ytor och små partiklar. Eftersom det är svårt att mäta sådana interaktioner med experimentella metoder kan datorbaserade beräkningar vara ett bra hjälpmedel för att förstå viktiga steg i katalytiska reaktioner.

Det som Peter Broqvist främst undersökt är inlagringen av kväveoxider i bariumoxid (BaO). Detta har lett till en förståelse på atomnivå som bygger på en parvis kvävedioxidinlagring (två NO2 molekyler) i lagringsmaterialet. Genom studier av olika modeller av lagringsmaterialet har mekanismen visat sig gälla även för inlagring i bariumkarbonat. Bariumkarbonat är ett mer troligt lagringsmaterial än bariumoxid på grund av den höga halten av koldioxid i avgaserna och på så sätt ett steg närmare verkliga förhållanden.

– Jag har också studerat betydelsen av supportmaterial för olika ädelmetaller. Interaktionen mellan katalytiskt aktiva metaller och olika supportmaterial är viktig för att förstå hur till exempel metallpartiklar byggs upp på ett supportmaterial. Det ger också möjligheten att skapa en bild av hur burna metallkatalysatorer kan se ut från ett atomistiskt perspektiv. Dessa små burna metallpartiklar kan ha helt andra egenskaper än bulkmaterial av samma ämne, säger Peter Broqvist.

Ett sådant exempel är lågtemperaturaktiviteten hos burna guldkatalysatorer. På senare tid har det framkommit att små guldpartiklar utspridda på ett supportmaterial visar hög aktivitet för till exempel oxidation av kolmonoxid vid låga temperaturer.

– Vi har studerat oxidationen av kolmonoxid i detalj vid en guldpartikel i kontakt med magnesiumoxid och vi vet hur reaktionen påverkas i närvaro av natrium och klor, fortsätter Peter Broqvist.

Avhandlingen ”On the role of Alkaline Earth Metal Oxides in Environmental Catalysis – First principles studies of NOx storage and molecular interactions with supported metal systems” försvaras vid en offentlig disputation på Chalmers den 11 mars kl 10.15 i sal Kollektorn, MC2, Kemivägen 9, Göteborg.

Kontaktinformation
Mer information:
Peter Broqvist, Tillämpad fysik, Chalmers, tel 031-7724541,
e-post: p.broqvist@fy.chalmers.se