Die vorliegende Dissertationsschrift umfasst systematische Untersuchungen zur Oxidation von Methan und Formaldehyd an Eisenoxid-Vollkatalysatoren im sauerstoffreichen Abgas von Gasmotoren. Als Brennstoff kann sowohl biogenes als auch fossiles Methan eingesetzt werden, wobei mit Biogas betriebene Motoren im Fokus dieser Arbeit stehen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass α-FeOOH-stämmige Katalysatoren eine hohe Oxidationsaktivität aufweisen. Unter abgastypischen Bedingungen startet die Umsetzung von Formaldehyd bei 150 °C und verläuft oberhalb von 300 °C vollständig. Der Methanumsatz beträgt bei 550 °C bis zu 30 %. Weiterhin liefern Struktur-Aktivitäts-Korrelationen sowie mechanistische Studien ein molekulares Verständnis für die Umsetzung der beiden Schadstoffe und bestimmende Eigenschaften der Eisenoxid-Katalysatoren. Zum einen wird deutlich, dass bei einer großen BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und Anzahl azider Adsorptionszentren sowie geringer Kristallitgröße (< 50 nm) eine hohe Methanoxidationsaktivität erhalten wird. Dabei liegen die Katalysatoren unter den abgastypischen Bedingungen in der α-Fe2O3-Modifikation vor. Des Weiteren ist eine hohe Redoxaktivität bzw. Sauerstoffmobilität von signifikanter Bedeutung. Die Methanumsetzung findet durch sequenzielle Abstraktion der Wasserstoffatome statt und wird demnach maßgeblich durch Wasserstofftransferprozesse und die Verfügbarkeit von aktiven Sauerstoffspezies auf der Katalysatoroberfläche beeinflusst. Die kinetische Modellierung der Methanoxidation legt die Umsetzung nach einem Langmuir-Hinshelwood-basierten Mechanismus nahe. Hierbei wird eine Aktivierungsenergie von 131 kJ∙mol-1 erhalten. Für eine hohe katalytische Aktivität bei der Formaldehydkonversion sind eine große BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und eine hohe Verfügbarkeit von Hydroxidgruppen essentiell. Die Oxidation verläuft bei tiefen Temperaturen (< 300 °C) vorwiegend nach einem Cannizzaro-Mechanismus, wobei als wesentliche Zwischenprodukte Methoxy- und Formiat-Spezies entstehen. Erstere sind die Ursache für die Methanolbildung im Anspringbereich der Umsetzung. Als katalytisch aktive Spezies können oberflächliche Hydroxidgruppen identifiziert werden, die an der Oberfläche der Fe2O3-Katalysatoren vorhanden sind und den Ablauf der Cannizzaro-Reaktion ermöglichen. Darüber hinaus wird im Rahmen der Aufskalierung des aktivsten Fe2O3-Katalysators das Potential für die Schadstoffminderung sowohl im Labormaßstab als auch an einem Gasmotor aufgezeigt. Hierbei wird Formaldehyd am frischen Katalysator vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt, während die Oxidation des Methans aufgrund zu tiefer Temperaturen des Abgases nicht stattfindet.

In der vorliegenden Arbeit werden Al2O3-geträgerte Eisenoxid-Katalysatoren auf ihre Eignung in der Nachbehandlung von Dieselabgasen getestet. Hierbei werden die Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid, Propen, Stickstoffmonoxid sowie Ammoniak getestet. Weiterhin wird die Katalysatoraktivität bei der Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren untersucht. Basierend auf einer detaillierten Charakterisierung wird eine Struktur-Aktivitäts-Korrelation entwickelt, auf deren Basis ein Verständnis für die Art der aktiven Zentren solcher Katalysatoren generiert wird. Zudem wird ein Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die spezifische Aktivität der verschiedenen Typen an aktiven Zentren bewertet werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit auf die Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren fokussiert, was die Untersuchungen des Reaktionsmechanismus sowie die Struktur-Aktivitäts-Korrelation an hydrothermal gealterten Katalysatoren beinhaltet.

In der vorliegenden Arbeit werden Al2O3-geträgerte Eisenoxid-Katalysatoren auf ihre Eignung in der Nachbehandlung von Dieselabgasen getestet. Hierbei werden die Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid, Propen, Stickstoffmonoxid sowie Ammoniak getestet. Weiterhin wird die Katalysatoraktivität bei der Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren untersucht. Basierend auf einer detaillierten Charakterisierung wird eine Struktur-Aktivitäts-Korrelation entwickelt, auf deren Basis ein Verständnis für die Art der aktiven Zentren solcher Katalysatoren generiert wird. Zudem wird ein Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die spezifische Aktivität der verschiedenen Typen an aktiven Zentren bewertet werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit auf die Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren fokussiert, was die Untersuchungen des Reaktionsmechanismus sowie die Struktur-Aktivitäts-Korrelation an hydrothermal gealterten Katalysatoren beinhaltet.:Inhalt 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Grundlagen 3.1 Schadstoffbildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger 3.2 Verfahren zur Schadstoffminderung bei Kraftfahrzeugen 3.3 Aktueller Stand der Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren für die dieselmotorische Abgasnachbehandlung 4. Verwendete Analysemethoden und Aufbau der Laborapparaturen 4.1 Untersuchungen zur Struktur der Katalysatoren 4.1.1 Stickstoff-Physisorption 4.1.2 Temperaturprogrammierte Experimente 4.1.3 Röntgendiffraktometrie 4.1.4 DRUV/VIS-Spektroskopie 4.1.5 Diffuse Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie 4.1.6 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.7 Mößbauer-Spektroskopie 4.1.8 Raman-Spektroskopie 4.2 Untersuchungen zur Analyse von Gasen 4.2.1 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) 4.2.2 Massenspektrometrie 4.3 Aufbau der Laborapparaturen 4.3.1 Laborapparatur für Aktivitätsmessungen sowie für temperaturprogrammierte Experimente 4.3.2 Laborapparatur zur Durchführung von DRIFTS-Experimenten 5 Experimentelle Ergebnisse 5.1 Katalysatorpräparation 5.2 Charakterisierung der frischen Katalysatoren 5.3 Charakterisierung der hydrothermal gealterten Katalysatoren 5.4 Aktivitätsmessungen 5.4.1 Oxidation von Kohlenmonoxid 5.4.2 Oxidation von Propen 5.4.3 Oxidation von Stickstoffmonoxid 5.4.4 Oxidation von Ammoniak 5.5 Untersuchungen zur Standard-SCR-Reaktion 5.5.1 Aktivitätsuntersuchung an frischen Katalysatoren 5.5.2 Aktivitätsuntersuchung an hydrothermal gealterten Katalysatoren 5.5.3 Untersuchungen zum Mechanismus der SCR-Reaktion 6. Diskussion der Ergebnisse 6.1 Struktur-Aktivitäts-Beziehung der FexO/Al2O3-Katalysatoren 6.1.1 Struktur der Eisenoxidspezies 6.1.2 Quantifizierung der Eisenoxidspezies 6.1.3 Modell zur Berechnung der spezifischen Aktivität der Katalysatoren 6.1.4 Sensitivitätsanalyse des entwickelten Modells 6.1.5 Anwendung des Modells bei der Oxidation von CO, C3H6, NO und NH3 6.1.6 Struktur-Aktivitäts-Beziehung der FeOx/Al2O3-Katalysatoren bei der Oxidation von CO, C3H6, NO und NH3 6.2 Evaluation der SCR-Aktivität der FeOx/Al2O3-Katalysatoren 6.2.1 Untersuchungen an frischen Katalysatoren 6.2.2 Einfluss der hydrothermalen Alterung auf die Katalysatorstruktur und -aktivität bei der Standard-SCR-Reaktion 6.3 Mechanismus der Standard-SCR-Reaktion an FeOx/Al2O3-Katalysatoren 7. Ausblick 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang

In dieser Dissertation werden Methoden entwickelt, die die Beschreibung der Katalysatoralterung verbessern. Der Fokus liegt hierbei auf der Realalterung in Pkws und Lkws. Die ständig wechselnden Bedingungen im realen Einsatz stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. Es wird ein physikalisches Modell entwickelt, das das Wachstum der Edelmetall-Kristallite im Washcoat beschreibt. Anhand der Kristallitgröße wird die katalytische Restaktivität des Katalysators bestimmt. Das Modell kann die Konvertierungsleistung der wesentlichen gasförmigen Schadstoffe CO, HC und sogar NOx berechnen. Es arbeitet vollumfänglich unter stationären thermischen Bedingungen einer Ofenalterung. Weitere Tests könnten es auch zur Anwendung für thermische Realalterung zulassen. Als weitere Methode wird eine empirische Korrelation entwickelt, die die Temperaturbelastung der Katalysatoren kategorisiert und diese damit hinsichtlich ihrer thermischen Realalterung zueinander einordnet. Die thermische Realalterung wird an Diesel-Oxidations-Katalysatoren (DOC) untersucht, die aus einer Edelmetall-Legierung aus Platin und Palladium bestehen. Hinsichtlich der chemischen Realalterung wird eine Diesel-AGN auf ihre Empfindlichkeit gegenüber Ablagerungen und Deaktivierung durch ungerafften Betrieb mit reinem Biodiesel untersucht. Der Biodiesel drängt sich hier in den Fokus, da in diesem, im Vergleich zu fossilem Diesel, deutlich mehr Vergiftungselemente enthalten sein können. / The combustion engine is a very important drive system. An exhaust-aftertreatment system (ATS) is widely mandatory for exhaust-gas purifcation, but the contained catalysts suffer from deactivation by aging effects. To handle the catalyst aging, its description is very significant. This PhD thesis develops two methods to improve the description of thermal real-world aging. The diesel-oxidation-catalyst (DOC) executes crucial conversion-reactions with platinum and palladium as precious metals. They are spread as small particles across the washcoat. Thermal catalyst aging is driven by temperature stress, duration and exhaust-gas atmosphere. It is irreversible and usually the dominating aging-type. Main path of the thermal aging is the precious-metal sintering, at which small precious-metal particles agglomerate to bigger ones. As result the access of the exhaust-gas to the catalyst detoriates, what leads to a deactivation. Chemical catalyst aging originates from negative effect of catalyst poisons and exhibits a very individual behaviour. The developed physical crystallite-size model calculates in its 'base version' the conversion of a catalyst after oven-aging. Input is an arbitrary oven-aging scenario to calculate the resulting crystallite-size and finally to conclude to the catalytic activity. This is possible for every species, thus CO, HC and even NO. Thereby, thermal oven-aging is described by a physical parameter. Furthermore, it is to mention, that the correlation between crystallite size and conversion is explicit for all species. The model is developed at an Pt/Pd-DOC and therefore it is expected, that general catalysts, with and without precious-metal alloys, can be described. The crystallite-size provides also the advantage, that it is independent from chemical aging. So a closed look on thermal aging is possible. The 'base version' of the model can be used in research and development as well for post-mortem analysis. The enhancement of the physical crystallite-size model could allow the description of thermal real-world aging. Input is an inconstant temperature-run for the calculation of the resulting crystallite-size to conclude again to the remaining catalytic activity. A confirmation is not possible with the available data, also the potential of the enhancement cannot be proved. But if the confirmation could get achived, for completely arbitrary thermal real-world aging scenarios the calculation of the conversion for every species would be possible. The field of application would be research and development, on-board operation as well as post-mortem analysis. The developed empirical correlation for real-world aging uses as input inconstant temperatureruns of several DOCs. They are treated by a combination and ranking system. Finally the method outputs a ranking, which represents the remaining catalytic activity. Thereby, the result for the DOCs is qualitative and relative to each other. The available seven real-world aged Pt/Pd-DOCs can get sorted completely correct by the method. The field of application is research and development, on-board operation as well as post-mortem analysis. The chemical real-world aging gets investigated by three ATS, which are driven with DIN EN 14214 biodiesel. Phosphorus and calcium indicate a B100 influence for accumulation. B100 operation clearly causes catalytic deactivation. The activity of the samples at the DOC-outlet correlates with the P+Ca accumulation. But this is not valid for the samples at the DOC-inlet.