Forschungsschwerpunkte
Materialsynthese
Moderne Autoabgaskatalysatoren bestehen im Wesentlichen aus einem nicht porösen keramischen oder metallischen Monolithen und einem porösen Washcoat als Träger für die katalytisch aktive Metallspezies (z.B. Platin). Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Katalysatorsystems werden verschiedene aufeinander aufbauende Maßnahmen untersucht, die eine durch Simulation unterstützte Optimierung der Trägerstrukturen und deren Porendesign umfassen.
Weiterhin wird die Gestaltung der katalytisch aktiven Komponente durch Kontrolle der Partikelgrößen und -morphologie sowie deren Oberflächeneigenschaften gezielt eingestellt und damit deren katalytische Aktivität verbessert. Ein weiteres Ziel stellt der Ersatz bzw. die Reduktion des Edelmetallanteils in der katalytisch aktiven Komponente mit gleichbleibender oder verbesserter Aktivität dar; z.B. durch bimetallische Systeme mit gezielt einstellbarer Metall-Metall-Wechselwirkungen, Übergangsmetallcarbide, gemischte Oxide, Metall-Oxid-Hybridstrukturen.
Analytik
Die Standardanalytik des Projekthauses umfasst die Analyse der Elementzusammensetzung und -verteilung sowie der Kristallstruktur, der spezifischen Oberfläche, der Porosität und Porengrößenverteilung. Zudem finden Untersuchungen bezüglich der Coating-Struktur und zur Bestimmung der aktiven Zentren statt.
Die im Projekthaus hergestellten Materialproben werden in Form von Granulen oder Minikatalysatoren im Laborgasprüfstand unter „realen“ Bedingungen untersucht. Der Prüfstand wird mit einer umfangreichen Multikomponentenanalytik gekoppelt, die mit hoher Zeitauflösung Gaszusammensatzungen vor und nach den Katalysatorproben erfasst. Durch schnell getaktete Einlassventile können auch transiente Strategien aus dem Motormanagement abgebildet werden, um die Stoffentwicklungen realitätsnah zu charakterisieren und für den späteren Einsatz am Motorenprüfstand Datenmaterial bereitzustellen.
Des Weiteren werden die im Projekthaus entwickelten Materialien auf ihre elektrische Eigenschaften hin untersucht. Dabei werden sie in einen parallelen in situ Impedanzspektroskopie-/diffuse Reflexions-Fouriertransformationsinfrarotspektroskopie (DRIFTS)-Messplatz untersucht, um elektrische Eigenschaften und molekulare Informationen korrelieren zu können.
Außerdem findet ein Vergleich des Probenmaterials mit der Materialdatenbank aus kommerziell verfügbarem Material statt. Auf diese Weise entsteht ein überprüfbares, transparentes Ranking, das uns eine finale Bewertung der im Projekthaus entwickelten Katalysatoren ermöglicht.
Simulation
Die experimentellen Arbeiten zur Herstellung neuartiger katalytischer Systeme werden durch eine theoretische Behandlung der Adsorbat-Oberflächen-Wechselwirkungen mittels Berechnungen der elektronischen Struktur unterstützt.
Diese Simulationen sollen ein detailliertes Verständnis der wichtigsten Mechanismen liefern. Zur quantitativen Beschreibung nicht-linearer Oberflächenprozesse werden die quantenchemischen Simulationen mit kinetischen und Metropolis Monte-Carlo-Simulationen verknüpft. Kürzlich wurde ein universeller Deskriptor-Ansatz entwickelt, um mit einfachen DFT-Rechnungen das katalytische Verhalten von CeO2 dotiert mit Übergangsmetallen zu ermitteln. Ähnliche Ansätze sollen auch für andere der oben genannten Materialien entwickelt werden und in Kombination mit Experimenten zur Identifizierung neuer Materialien für die Katalyse durch optimales Design angewandt werden. Diese Arbeiten werden in direkter Kollaboration mit den Experimenten zur Materialsynthese am IAC und ITMC durchgeführt.
Ebenso werden Simulationen des Motorbetriebes inklusive des gesamten Abgasnachbehandlungssystems durchgeführt, um die Randbedingungen für die zu erwartenden Abgastemperaturen, -volumenströme und -zusammensetzungen an die Katalysatorentwicklung weiterzuentwickeln. Dazu steht am TME eine in Eigenentwicklung entstandene und über Jahre optimierte Software zur Verfügung, die auch den Einfluss neuer Motorkonzepte sowie geänderter Katalysatorpositionen und -größen als Parametervariation schnell bestimmen kann.
Stofftransport
In der ersten Projekthausphase wird eine Messtechnik zur in situ Charakterisierung des Stofftransports in der Grenzschicht zwischen dem Freistrom und der katalytischen Oberfläche entwickelt. Hierzu wird ein FTIR-Spektrometer an einem Überstromreaktor eingesetzt. Mit dieser Methode wird die Speziesmessung ermöglicht, ohne dabei die für den Stofftransport entscheidende Grenzschicht durch eine Probenentnahmevorrichtung zu stören.
Zu Beginn werden die Anforderungen an die Materialien, Oberflächen und Probenfertigung definiert, sodass die Messtechnik auf die zu erwartenden Stoffe abgestimmt und der Versuchsaufbau entsprechend ausgelegt werden kann. Mithilfe der in der Messtechnik gesammelten Erfahrungswerte, wird schließlich ein Konzept für einen Versuchsstand entwickelt.
Die Definition der zugehörigen Randbedingungen stellt sicher, dass die Messungen, die numerische Untersuchung des Stofftransportes sowie eine mögliche Modellentwicklung aufeinander abgestimmt sind. Auf Basis der im Projekthaus entwickelten Messtechnik und des konzeptionierten Versuchsstandes werden in zukünftigen Projekten Daten gemessen, die der Validierung von detaillierten numerischen Simulationen dienen.
Systemintegration
Ein effizientes und wirtschaftliches Abgasnachbehandlungskonzept kann nicht nur durch Optimierung der verwendeten Komponenten realisiert werden. Um die bestmögliche Leistung zu erreichen, wird die Abgasnachbehandlung im ACA bis in die Fahrzeugintegrationsebene betrachtet.
Basierend auf den experimentell und simulativ gewonnen Erkenntnissen werden Katalysatoren gezielt aufeinander abgestimmt und neue Ansätze für die Systemgestaltung entwickelt. Moderne Testeinrichtungen für Motor, Antriebsstrang und Fahrzeug ermöglichen neben der Validierung der Systemstruktur auch die Abstimmung der Motorbetriebsparameter. Hochtransiente Motorbedingungen werden ein wesentlicher Einflussfaktor zukünftiger Abgasnachbehandlungskonzepte sein. Die gezielte Nutzung und Beeinflussung dieser Prozesse erfolgt im ACA bereits im Labormaßstab und kann bis ins Fahrzeug weiter verfolgt werden.