ASCAT - Understanding and Tailoring activity of an Ammonia Slip CATalyst

ASCAT prosjektet avsluttes høst 2019. Prosjektets hovedfokus har vært nye typer metalliske og oksidbaserte katalysatorer for oksidasjon av ammoniakk (NH3), som et rensesteg etter SCR behandling av NOx gasser i forbrenningsmotorer/ovner. Prosjektet er gjennomført i tett samarbeid mellom UiO, og brukerpartnere; YARA International, K. A. Rasmussen og Baldur Coatings og har involvert 1 PhD og 2 post docs ved UiO samt forskere hos brukerpartnerne. De ulike typene katalysatorer har blitt testet for "ammonia slip" prosessen ved Yaras laboratorium i Porsgrunn for temperaturer opp til 450oC. I denne sammenheng, er (bimetalliske) nanopartikler av Pt-Rh er undersøkt for ulike sammensetninger, og ulike partikkelstørrelser. Best oppførsel er funnet for Rh-rike sammensetninger. Avanserte modellstudier er utført på Pt-Rh enkrystaller ved hjelp av STM, Scanning Tunneling Microscopy. På samme vis er en serie av oksidbaserte katalysatorer (GdCoO3 med kalsium og mangan substitusjon) blitt laget, studert og testet. Mekanismestudier av disse er utført med TAP ved IRC, Lyon. Som del av en helhetlig plan for å utvikle nye katalysatorer, fra fundamental forståelse til applikasjon i form av praktiske bærere, er det utviklet en kjemisk tynnfilm/coating prosess med Atomic Layer Deposition metoden, dels i samarbeid med Baldur coatings, som vil kunne legge tynne belegg av Gd-Ca-Co-O katalysatorer på en mikroporøs bærer/nett gjennom etterfølgende prosessoptimalisering. Ved formelt avslutningstidspunkt er en rekke publikasjoner i siste skrivefase, dette gjelder også avhandlingen til prosjektets PhD student. Vi anser det som sikkert at fire publikasjoner vil ferdigstilles i nær fremtid.

Prosjektet har bidratt til kompetansebygging knyttet til katalysatorer for fjerning av restmengder av ammoniakk («ammonia slip catalyst») som siste ledd i en effektiv renseprosess av NOx utslipp fra forbrenningsreaksjoner. Arbeidet omfatter fremstilling av katalysatorer, fundamental forståelse av deres funksjon og testing i industriell sammenheng. Den opparbeidede innsikten og nye kompetansen muliggjør prosjekter som vil ha som mål å optimalisere katalysatorer for fremtidig utprøving og eventuell implementering. Dette gjelder både edelmetallbaserte og oksidbaserte systemer. Prosjektet har bygd ny kompetanse i fremstilling og karakterisering av bimetalliske katalysatorer, noe som for alle partnere har en verdi som kunnskapsbasis rettet mot andre kjemiske prosesser der edelmetaller benyttes. Prosjektet har konsolidert et tett samarbeid mellom grunnforskning ved UiO og anvendt forskning og prosessteknologi hos de industrielle partnerne, og er en solid basis for videre felles prosjekter.

The current KPN Project is based on extensive know-how at industrial partners and scientific competence and methodologies at the University of Oslo. The vision is to develop a novel, highly reactive catalyst that will decompose trace amounts of ammonia into nitrogen and water at low/moderate temperatures. Such materials will be developed, characterized, and tested for the target reactions; using UiO expertise on synthesis of bimetallic platinum Group metal nanoparticle; the international recognized expertise on functional oxides; in-situ/in-operando diffraction and spectroscopy at UiO national infrastructures (RECX) and at synchrotrons (SNBL at ESRF, Grenoble) with integrated Raman and MS analysis; development of PGM single Crystal surfaces and investigation of surface Dynamics when exposed to reactant and product gases using reactor-STM, a Method to be implemented at UiO Autumn 2015 (instrument 5 world wide); DFT modeling of surface structure, composition, reactivity under NH3 oxidation conditions; and catalytic testing. The knowledge learned will continuously be fed back into the synthesis process with the goal to improve materials parameters as to enhance selectivity towards nitrogen and water. The very reason why this selectivity is critical to the Project can easily be explained technologically: the new catalyst will be integrated into state-of-the-art selected catalytic reduction processes of nitrogen oxides, and will allow higher levels of reductant (ammonia) which again will lead by a major improvement with respect to NOx abatement. The Project has Yara International as core partner (global provider of SCR Technology), along with DNVGL, K.A.Rasmussen and Baldur Coating who are interested in PGM catalysts, in catalysts coatings, and in end use of the mentioned technology in connection with cleaning of exhaust from combustion processes.