Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung effizienter Niedertemperatur-H₂-deNO_x-Katalysatoren für die Abgase magerer H₂-Direkteinspritzungsverbrennungsmotoren (H₂-DI), darunter Lastkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Schiffe und stationäre Anwendungen, insbesondere KWK-Einheiten. Diese Motoren eliminieren CO₂-Emissionen vollständig und gelten daher als vielversprechende Lösung zur Dekarbonisierung von Transport- und Energiesystemen. Sie sind jedoch noch nicht kommerziell verfügbar, da sie weiterhin Stickoxide (NO_x) produzieren, wodurch eine effektive Abgasnachbehandlung unerlässlich ist, um regulatorische Anforderungen zu erfüllen und den Markteintritt zu ermöglichen.
Die konventionelle selektive katalytische Reduktion (SCR) bleibt der Stand der Technik der deNO_x-Abgasnachbehandlungstechnologie für Abgastemperaturen über 220 °C. Allerdings weist SCR eine begrenzte Effizienz bei Temperaturen unter 220 °C auf – Bedingungen, die während Kaltstarts, im Stadtverkehr und bei stationärem Betrieb mit niedriger Last auftreten. Um diese Lücke zu schließen, werden wir einen neuartigen katalytischen Ansatz entwickeln, der H₂ als Reduktionsmittel für die Niedertemperatur-NOₓ-Minderung
(80 – 220 °C) verwendet. Der für diesen Prozess benötigte Wasserstoff wird direkt aus dem vorhandenen Kraftstofftank des Fahrzeugs bereitgestellt, wodurch zusätzliche Infrastruktur oder Reduktionsmittelspeichersysteme, wie Harnstoff bei konventioneller SCR, entfallen.
Trotz ihrer hohen Effizienz in mageren H₂-Verbrennungsabgasen steht die H₂-deNO_x-Reaktion vor zwei wesentlichen Herausforderungen: N₂O-Sekundäremissionen und überstöchiometrischer H₂-Verbrauch. Die relevanten Reaktionspfade umfassen:

            2 NO(g) + 2 H₂(g) → N₂(g) + 2 H₂O(g)       ∆H⁰ = -668 kJ/mol

            2 NO(g) + H₂(g) → N₂O(g) + H₂O(g)          ∆H⁰ = -342 kJ/mol

            O₂(g) + 2 H₂(g) → 2 H₂O(g)                        ∆H⁰ = -572 kJ/mol

Um die N₂-Selektivität zu maximieren und gleichzeitig die N₂O-Bildung sowie den H₂-Verbrauch durch O₂ zu minimieren, werden die Verbesserung und das Design des Niedertemperatur-H₂-deNO_x-Katalysators durch das Screening verschiedener Pulverkatalysatorformulierungen erreicht, die hinsichtlich ihrer NO_x-Umsetzung mit synthetischem Abgas bewertet werden.
Der effizienteste Katalysator wird anhand der folgenden Kriterien ausgewählt und bewertet:

• NOₓ-Umsatz > 80 % zwischen ca. 80 und 220 °C
• Selektive Umwandlung von NO_x in N₂ (keine N₂O- oder NH₃-Emissionen)
• H₂-Selektivität gegenüber NO_x > 50 %, um den konkurrierenden H₂-Verbrauch durch O₂ zu unterdrücken
• Hydrothermale Stabilität

Dieser ausgewählte Pulverkatalysator wird auf Cordierit-Monolithkerne beschichtet und in Laborreaktorversuchen sowie auf Motorprüfständen getestet.
Parallel zur experimentellen Katalysatorentwicklung und -prüfung wird ein umfassendes mikrokinetisches Modell entwickelt, um die grundlegende katalytische Chemie der H₂-deNO_x-Leistung aufzuklären. Das prädiktive Modell wird aus Teilmechanismen für H₂-Oxidation, NO-Reduktion, N₂O-, NO₂- und NH₃-Bildung sowie NH₃-Oxidation bestehen. Dieses Modell wird wertvolle Einblicke in das Verhalten der H₂-deNO_x-Reaktivität unter verschiedenen Bedingungen liefern und die weitere Entwicklung prädiktiver Modelle unterstützen.
Zusammenfassend werden diese Erkenntnisse die Grundlage für die Weiterentwicklung von Abgasnachbehandlungstechnologien für H₂-DI-Verbrennungsmotoren legen und werden Industriepartnern bei der Entwicklung effizienter und kosteneffektiver Emissionsminderungslösungen helfen. Angesichts zunehmend strengerer Emissionsvorschriften wird diese Arbeit neue Marktchancen eröffnen und die kommerzielle Einführung magerer H₂-DI-Verbrennungsmotoren während der laufenden Energiewende unterstützen.

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