An investigation into noble metal free catalysts for diesel particulate filters using combinatorial chemistry and high throughput technology

Abstract

This study is focused on combinatorial chemistry in order to prepare noble metal free catalysts for diesel particulate filters (DPF) and to test them using high throughput technology (HTT). Both methods play an important role in heterogeneous catalysis, since the impending stringent diesel emissions limits must be met and therefore the application of new catalytic coat for DPF is required. In this thesis three different syntheses were studied resulting in the sol-gel process using a commercially available pipetting robot, which is the most applicable for the catalysts'; preparation. Composition spreads of Co, Ce and Mn based mixed oxide have been prepared and simultaneously tested for their relative activity by emissivity corrected infrared thermography (ecIRT), which is an efficient method to indicate potentially good catalyst candidates. The results have been confirmed by thermogravimetric and differential thermal analysis (TG-DTA). The combination of HTT and conventional measurement is excellent, since HTT is a fast method for the discovery and evaluation of soot combustion catalysts and the conventional measurement gives more precise information about the catalytic activity. From 250 prepared catalysts which were tested by ecIRT the compositions of Co/La, Ca/Mn and Ag/Ce were shown to be highly active with regards to soot oxidation. The proper determination by TG-DTA resulted in La5Co95Ox, Ca5Mn95Ox and CeyAg100Ox(y = 45-55) each reducing the combustion temperature to approx. 400 °C. All of these tests were conducted in loose contact mode in order to simulate practical conditions. The investigation of different soot deposition techniques results in the conclusion that contact between soot and catalyst is crucial in the catalytic soot oxidation.

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit richtet sich auf die kombinatorische Chemie für die Herstellung von edelmetallfreien Katalysatoren für Dieselpartikelfilter (DPF) und das Testen dieser mittels Hochdurchsatz-Verfahren. Beide Methoden spielen eine wichtige Rolle in der heterogenen Katalyse, da die ständig verminderten Dieselemissionsgrenzen erreicht werden müssen und daher die Anwendung neuer katalytischer Beschichtungen für DPF erforderlich ist. In dieser Arbeit stellte sich von den drei untersuchten Präparationsmethoden der Sol-Gel Prozess für die Katalysatorherstellung als am geeignetsten heraus. Binärer composition spread von Mischoxiden auf Co-, Ce- und Mn-Basis wurden präpariert und parallel auf ihre katalytische Aktivität mittels emissivitätskorrigierter infrarot Thermographie (ecIRT) getestet. Dieses Hochdurchsatz-Verfahren ist sehr effizient um Katalysatoren mit hoher Aktivität schnell zu detektieren und wurde mittels Thermogravimetrie-Differenzthermoanalyse (TG-DTA) bestätigt. Die Kombination von Hochdurchsatz-Screening und konventioneller Untersuchung hat sich bewährt, da Hochdurchsatz-Screening ein sehr schnelles Verfahren für die Entdeckung und Evaluierung von Rußverbrennungs-Katalysatoren ist. Dagegen liefert die konventionelle Messung genauere Informationen hinsichtlich der katalytischen Aktivität. Von den 250 getesteten Katalysatoren weisen Mischoxide von Co/La, Ca/Mn und Ag/Ce hohe Aktivität bei der Rußoxidation auf. La5Co95Ox, Ca5Mn95Ox und CeyAg100Ox (y = 45-55) senken die Verbrennungstemperatur bis auf ca. 400 °C. Um praktische Bedingungen zu simulieren wurden alle Versuche in "loose" Kontakt durchgeführt. Die Untersuchungen von unterschiedlichen Rußablage-Verfahren haben gezeigt, dass der Kontakt zwischen Ruß und Katalysator für die katalytische Rußoxidation entscheidend ist.