2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16851Das Forschungsvorhaben untersucht die Wechselwirkung zwischen den physikalischen und chemischen Prozessen in einem nicht-thermischen Plasma und den katalytischen Reaktionen der im Plasma erzeugten Moleküle, Radikale und Atome an der Oberfläche eines festen Katalysators. Als Beispielreaktion wird die plasma-katalytische Reduktion von Stickoxiden durch Methan an einem Pd/Al2O3/CeO2/ZrO2 Katalysator untersucht, einem Standardkatalysator in der Autoabgaskatalyse. Diese Beispielreaktion ist von technischer und gesellschaftlicher Relevanz, da mehr als 80% der Stickoxid Emissionen durch Autoabgase während des Kaltstarts verursacht werden, wenn der Katalysator bei Temperaturen unterhalb von 200°C noch nicht in der Lage ist, die im Abgas enthaltenen reaktionsträgen Kohlenwasserstoffe als Reduktionsmittel für die Stickoxide zu aktivieren. Durch die Kopplung eines nicht-thermischen Plasmas, in dem faktisch bei Raumtemperatur hochreaktive Atome, Moleküle und Radikale entstehen, mit einem DeNOx Katalysator ist es möglich, einen Kohlenwasserstoff zu aktivieren, z.B. besonders reaktionsträges Methan, so dass die entstehenden Radikale an der Oberfläche des Katalysators mit adsorbiertem Stickoxid zu N2, CO2 und H2O reagieren. Da Radikale hochreaktiv sind und nur eine Lebensdauer im Bereich von Mikro- bis Millisekunden (z.B. CH3 und OH) bzw. Millisekunden bis Sekunden haben (z.B. CH3OO), erfordert eine effiziente Kopplung zwischen Plasma und Katalysator eine enge räumliche Nähe im Submillimeterbereich. Um Plasmaprozesse, Transportprozesse und katalytische Prozesse sauber trennen und aufeinander abstimmen zu können, werden Plasma und Katalysator sowohl hintereinander als auch parallel geschaltet. Durch Hintereinanderschaltung eines nichtthermischen Plasmas und einer mit Katalysator beschichteten Kapillare von bis zu einem Millimeter Durchmesser können systematisch Reaktionen untersucht werden, die durch vergleichsweise langlebige Radikale wie z.B. CH3OO vermittelt werden. Durch Zündung des Plasmas in einem wandbeschichteten Katalysatorkanal mit 50-1000µm Wandabstand können systematisch Reaktionen untersucht werden, die durch kurzlebige Radikale wie CH3 oder OH vermittelt werden welche nur kurze Diffusionswege zurücklegen können. Folgende grundlegende Fragen der Plasmakatalyse sollen durch Kombination von definierten katalytischen Experimenten, räumlich aufgelöster Diagnostik mit Messverfahren wie Laser Induzierter Flureszenzspektroskopie oder Molekularstrahl Massenspektrometrie und mehrdimensionaler Plasmamodellierung beantwortet werden: 1) Kann Plasmakatalyse in räumlich engen Geometrien Transportlimitierungen der reaktiven Plasmaspezies zur Katalysatoroberfläche überwinden? 2) Welche Plasmaspezies vermitteln die Kopplung zwischen plasmachemischen und katalytischen Reaktionen und wie kann man ihre Erzeugung steuern? 3) Wie unterscheiden sich Oberflächenspezies und katalytische Reaktionen in der Plasmakatalyse von denen der thermischen Katalyse?The research project investigates the interaction between physical and chemical processes inside a non-thermal plasma and the catalytic reactions of plasma generated molecules, radicals and atoms at the surface of a solid catalyst. The plasma-catalytic reduction of nitrogen oxides by methane on a Pd/Al2O3/CeO2/ZrO2 catalyst, which is a standard catalyst in automotive catalytic exhaust treatment, will be studied as test reaction. This testbed system is of technical and societal relevance because more than 80% of NOx emissions caused by automotive exhaust are released during cold start, that means when the catalyst has a temperature below 200°C and is unable to activate the rather inert hydrocarbons contained in the exhaust stream as reducing agent for nitrogen oxides. By coupling of a non-thermal plasma, inside which highly reactive atoms, molecules and radicals are formed, with a DeNOx catalyst, very unreactive hydrocarbons such methane can be activated basically at room temperature and the resulting radicals can reduce nitrogen oxide species adsorbed on the catalyst surface to N2, CO2 and H2O. Because radicals are highly reactive with lifetimes on the order of micro- to milliseconds (e.g. CH3 and OH) or milliseconds to seconds (e.g. CH3OO), efficient coupling between plasma and catalyst requires spatial confinement and transport distances in the submillimeter range. To separate and match plasma processes, transport and catalytic reactions in a well defined manner, plasma and catalyst will be connected both in series and in parallel to each other. By feeding the effluent of a non-thermal plasma into a catalyst coated capillary of up to one millimeter inner diameter, reactions can be probed in a systematic manner, which are mediated by comparably long-lived radicals such as CH3OO for example. Reactions mediated by short-lived radicals such as CH3 oder OH, which can only diffuse over very short distances, can be probed systematically by igniting the non-thermal plasma inside narrow channels of 50-1000µm wall distance with the catalyst coated as thin layer at the channel walls. By combining defined catalytic experiments with spatially resolved diagnostic measurements using methods like Laser Induced Fluorescence Spectroscopy or Molecular Beam Mass Spectrometry and with multidimensional plasma modeling, the following key questions in plasma catalysis will be answered: 1) Can confined reactor geometries overcome transport limitations impacting plasma-catalytic chemistry coupling? 2) Which are the key plasma species enabling effective coupling between plasma and catalytic processes and how can their production be controlled? 3) What are the key differences in surface species and reactions during plasma-catalysis compared to thermal catalysis?