Polttomoottorikatalysaattorien pinnoitteet ja niiden karakterisointi

Abstract

Tämän Pro gradu -tutkielman aiheena olivat polttomoottoriautoissa yleisesti käytettävien katalysaattorien pinnoitemateriaalit sekä niiden karakterisointi eri menetelmillä. Tutkielman kirjallisessa osassa perehdyttiin katalysaattorien toimintaan ja sitä heikentäviin tekijöihin sekä erilaisiin karakterisointimenetelmien toimintaperiaatteisiin. Kirjallisen osan viimeisessä luvussa tarkasteltiin eri tutkimuksissa tehtyjä karakterisointeja erilaisille katalysaattorimateriaaleille sekä niissä havaittuja muutoksia lämpötilan vaikutuksesta. Materiaalit sisälsivät eri kantajia, happea varastoivia yhdisteitä (oxygen storage component, OSC), katalyyttejä ja lisäaineita.

Kokeellisessa osassa karakterisoitiin kaupallisia katalysaattorimateriaaleja sekä valmiita pinnoitteita hyödyntäen kirjallisen osan tietoja. Näytteet karakterisoitiin sekä tuoreena että eri lämpötiloissa käsiteltyinä useita eri menetelmiä käyttäen, joista etenkin XRD ja Raman osoittautuivat käyttökelpoisimmiksi. Tutkimuksessa karakterisoitiin raaka-aineista erilaisia aluminakantajia ja OSC-yhdisteitä. Aluminan heikkenemistä pystyttiin seuraamaan sen kiderakenteen muutoksilla, joista etenkin muutos α-aluminaksi on haitallinen. Näiden muutosten havaittiin vähenevän näytteissä, joihin oli tehty lantaanilisäys. Titaani- ja/tai piidioksidin havaittiin alentavan aluminan kiderakennemuutosten lämpötiloja, mutta alumina- ja/tai silikalisäyksien toisaalta havaittiin parantavan titaanidioksidin lämmönkestävyyttä. Zirkoniarikkaalla OSC-yhdisteellä havaittiin korkeammissa ikäytyslämpötiloissa tapahtuva seosoksidin kiderakenteellinen eriytyminen, joka saattoi osaltaan alentaa OSC-materiaalin hapenvarastointikykyä. Myös puhtaan cerian hapenvarastointikyky heikkeni ikäytysten myötä. Ceriarikkaalla OSC-materiaalilla korkealla lämpötilalla oli varastointikykyä lisäävä vaikutus.

Useita edellä mainittuja raaka-aineita sisältävien valmiiden katalysaattoripinnoitteiden osalta tutkimuksessa havaittiin monia erilaisia lämpötilan aiheuttamia muutoksia, joita karakterisoitiin ensisijaisesti XRD:llä. Yhden pinnoitteen tapauksessa havaittiin pinnoitteessa olevan aluminafaasin ominaisuuksien heikkenevän alemmassa lämpötilassa kuin raaka-aineen tapauksessa. Lisäksi pinnoitteessa havaittiin platinakatalyytin sintrautumista. Toisessa pinnoitteessa lisäaineellinen alumina vastusti hyvin kiderakenteen muutoksia, minkä lisäksi katalyyttien sintrautuminen oli vähäistä.