Modifizierung der Porenstruktur von Hochleistungskeramik

Abstract

Die technische Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren für die Abgasreinigung zur Einhaltung der zukünftigen Abgasgrenzwerte der Europäischen Kommission ist die Anpassung an die ständig wechselnden Betriebszustände des Fahrzeugmotors, die beschränkten Platzverhältnisse im Auto und ein akzeptables Handling der benötigten Betriebsmittel. Ein Forschungsschwerpunkt in diesem Zusammenhang, mit welchem sich auch die vorliegende Arbeit beschäftigt, ist die Optimierung des Porensystems in der keramischen Masse, um die katalytische Aktivität zu steigern. Im Zuge der hier durchgeführten Untersuchungen wurden kurze organische Fasern (Einzelfaserlänge unter 350 µm Länge), die beim Kalzinieren ausbrennen, in die keramische Masse von Katalysatoren eingemischt. Damit wurde eine zusätzliche definierte Porenstruktur (Makroporen mit einem Durchmesser von ca. 10-20 µm) in der Keramik geschaffen, welche den rascheren Stofftransport in die Wände ermöglicht. Da die keramischen Katalysatoren eine sehr dünnwandige Struktur aufweisen, ist neben der Auswahl des geeigneten Fasermaterials in Bezug auf die Faserdicke und die chemische Zusammensetzung auch die Produktion von sehr kurzen Fasern mit einem sehr geringen Anteil an Überlängen das Ziel der praktischen Arbeit. Aufgrund der Ergebnisse aus den Vorversuchen, ihrer chemischen Reinheit und ihres definierten Durchmessers wurden Lyocell-Fasern als Referenzmaterial ausgewählt. Ihre Längenverteilung wurde auf Basis der Erkenntnisse aus einer Schneidmahlversuchs-Serie optimiert und in der zweiten Versuchsserie mit steigender Konzentration in die Katalysatormasse eingemischt. Parallel zu den praktischen Arbeiten wurde zur Optimierung der Wirksamkeit dieser Katalysatoren ein Simulationsmodell für die Durchströmung der Porenstruktur des Katalysators erstellt, welches einen vertieften Einblick in die Strömungsverteilung und den Stofftransport in den Katalysatorporen ermöglichen soll.<br />Die Grundaussage sowohl der praktischen Untersuchungen als auch des erstellten Simulations-Modells im Bezug auf die Aktivität ist, dass die durch Fasern mit einer Dicke im Bereich von 10 µm und einer Konzentration von bis zu 3 % erzeugte Makroporenstruktur in der keramischen Masse die Leistungsfähigkeit eines Katalysators positiv beeinflusst und die Aktivität mit steigendem Anteil an Makroporen zunimmt und dies bei niederen Temperaturen stärker als bei höheren Temperaturen.