X-Ray Photoelectron Spectroscopic Studies of Laboratory-Aged Natural Gas and Diesel Oxidation Catalysts

Abstract

Combustion engines are a major source of emissions such as various greenhouse gases and hazardous chemicals. Reducing these emissions is of major importance, and catalytic converters are one of the most prominent applications towards this end. In a catalytic converter, molecules in the exhaust gas undergo oxidation or reduction reactions enhanced by noble metal catalysts and form less harmful compounds. While in use, the catalytic converters and the active catalytic materials within are gradually deactivated. In chemical poisoning, unwanted particles adsorb on the active sites of the catalyst thus preventing adsorption and conversion of the desired molecules. In thermal deactivation, the active catalyst particles migrate to form larger particles, thus decreasing the active surface area of the catalyst. In this work, the effect of laboratory-scale deactivation treatments on diesel and natural gas oxidation catalysts are studied. All the catalysts feature platinum or palladium as the active metal and alumina, silica or zirconia as the solid support. In the deactivation treatments, the catalysts have been exposed to sulfur and phosphorus, significant catalytic poisons, as well as elevated temperatures. The effect of these treatments have been investigated with X-ray photoelectron spectroscopy, a non-destructive experimental method for chemical characterization. The atomic percentages of the chemical elements in each catalyst have been determined together with the chemical states of each element. With the help of complementary studies, the properties of the treated catalysts are discussed in detail.

Polttomoottorit ovat erilaisten päästöjen, kuten kasvihuonekaasujen ja terveydelle haitallisten kemikaalien merkittävä lähde. Päästöjen vähentäminen on tärkeää, ja eräs merkittävimmistä sovelluksista tämän saavuttamiseksi ovat katalysaattorit. Katalysaattorissa pakokaasun molekyylit hapettuvat tai pelkistyvät jalometallisten katalyyttien mahdollistamissa reaktioissa muodostaakseen vähemmän haitallisia yhdisteitä. Käytössä katalysaattorit, ja niiden katalyyttisesti aktiivinen materiaali, deaktivoituvat vähitellen. Myrkyttyminen tarkoittaa tilannetta, jossa ei-toivotut yhdisteet adsorboituvat katalyytin pinnalle ja näin estävät haluttujen molekyylien adsorption ja niiden katalyyttiset reaktiot. Termisessä deaktivaatiossa aktiiviset katalyyttihiukkaset yhdistyvät suuremmiksi hiukkasiksi, jolloin katalyyttisesti aktiivinen pinta-ala pienenee. Tässä työssä tutkitaan laboratorio-olosuhteissa tehtyjen ikäytyskokeiden vaikutuksia diesel- ja maakaasumoottorien hapetuskatalyytteihin. Tutkimuksen kaikissa katalyyteissä aktiivinen aine on platinaa tai palladiumia, ja kantaja-aineena on alumiini-, pii- tai zirkoniumoksidi. Ikäytyskokeissa katalyytit on altistettu rikille ja fosforille, jotka ovat merkittäviä katalyyttimyrkkyjä, sekä korkeille lämpötiloille. Ikäytysten vaikutusta on tutkittu kokeellisesti röntgenfotoelektronispektroskopialla. Kunkin katalyytin alkuaineiden atomiprosenttiosuudet sekä kunkin alkuaineen kemiallinen tila on määritetty. Viittaamalla lisäksi muilla menetelmillä saatuihin täydentäviin tuloksiin työssä esitellään yksityiskohtaisesti ikäytettyjen katalyyttien ominaisuuksia.