Effects of trace elements in biodiesel on the performance of diesel oxidation catalysts in heavy-duty vehicles

To reduce net greenhouse gas emissions, a shift towards adoption of biofuels is ongoing in the transport sector. Heavy-duty diesel vehicles are equipped with aftertreatment equipment, comprising of catalysts and filters, and how this equipment is affected by the use of biofuels is not yet fully understood. Fatty Acid Methyl Ester (FAME) biodiesel may contain high loadings of different trace elements stemming either from the biomass used as raw material, or from the production process. These trace elements could act as poisons that deactivate the aftertreatment catalysts. The objective of this work was to study how the diesel oxidation catalyst (DOC) is affected by the presence of trace elements in FAME biodiesel. The DOC reduces emissions of CO and hydrocarbons, but furthermore, it generates NO2 from NO present in the exhaust, which is essential for downstream aftertreatment components to operate optimally. Because the DOC is located at the inlet of the aftertreatment system, it is subjected to high concentrations of trace elements, compared to downstream components. An investigation of a DOC that had been used for an entire lifetime in a vehicle operating on FAME biodiesel revealed that phosphorus appeared to have the largest effect on DOC activity, causing considerable deactivation in the NO oxidation reaction. Na and Ca, on the other hand, appeared to have little effect. The largest cause of deactivation was thermal aging, rather than poisoning by trace components. In-situ X-ray Absorption Spectroscopy studies of poisoned model catalysts showed a strong electronic interaction between P and catalytically active Pt/Pd particles during CO oxidation reaction conditions. In contrast, such effects were not observed for Na and K. Elemental mapping with Energy dispersive spectroscopy (EDS) of scanning transmission electron micrographs showed that phosphorus was co-located with Pt-Pd, whereas Na and K, on the other hand, were evenly distributed throughout the Al2O3 washcoat support.För att minska utsläppen av växthusgaser, har transportsektorn börjat övergå till användning av biobränslen. Tunga dieselfordon är utrustade med efterbehandlingssystem, bestående av katalysatorer och filter. Hur dessa komponenter påverkas av användandet av biobränslen är inte fullt utrett. Biodiesel i form av fettsyrametylestrar (FAME) kan innehålla höga halter av orenheter med ursprung antingen i biomassan som har använts som råvara, eller från produktionsprocessen. Dessa orenheter skulle kunna förgifta katalysatorerna i efterbehandlingssystemet. Arbetet som beskrivs i denna avhandling hade som mål att undersöka hur dieseloxidationskatalysatorn (DOC) påverkas av orenheter i FAME-biodiesel. DOCn minskar utsläpp av CO och kolväten, men den genererar också NO2 från NO, vilket är nödvändigt för att övriga komponenter i efterbehandlingssystemet ska fungera optimalt. Då DOCn är först efter motorn i efterbehandlingssystemet utsätts den för högre halter av orenheter i bränslet än övriga komponenter. En katalysator som hade använts en hel livstid i ett fordon som drevs av FAME-biodiesel undersöktes. Dessa studier visade att P hade störst effekt på den katalytiska aktiviteten i DOC och minskade aktiviteten för NO-oxidation betydligt. Däremot hade Na och Ca endast en marginell effekt på aktiviteten. Den största orsaken till katalysatordeaktivering var dock termisk åldring snarare än förgiftning. In-situ-studier av förgiftade modellkatalysatorer med röntgenabsorptionsspektroskopi visade en stark elektronisk interaktion mellan P och de katalytiskt aktiva partiklarna av Pt- och Pd-metall under oxidation av CO. Däremot syntes inga sådana interaktioner för Na eller K. Enligt elektronspektroskopi band P till Pt-Pd-partiklar, medan Na och K var jämnt utspridda över katalysatorns washcoat av Al2O3.QC 2020-09-29