title: Multiscale Modelling for Automotive Exhaust-Gas Aftertreatment – From the Quantum Chemistry to the Engineering Level
creator: Inderwildi, Oliver Richard
subject: ddc-540
subject: 540 Chemistry and allied sciences
description: Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die theoretische Untersuchung eines neuartigen Abgas-Nachbehandlungssystemes unter Verwendung eines Multiskalen-Modellierungsansatzes. Prozesse vom Nanobereich (chemische Reaktionen) bis zum Makrobereich (zeitabhängige Umsätze im katalytischen Einzelkanal) wurden durch verschiedene Modellierungstechniken beschrieben. Diese unabhängigen Techniken wurden im Rahmen eines Multiskalen-Modellierungsansatzes vereint, um ein umfassendes Modell eines Autoabgas-Katalysators zu erreichen. Das untersuchte Rhodium-basierte Abgaskatalysator-System reduziert giftige Stickoxide (NOx, x = 1,2) selektiv zu Stickstoff (N2) in einem Sauerstoff-reichen Abgas, in welchem kurzzeitig (0,1 s – 5 s) reduzierende Bedingungen generiert werden. Experimentelle Untersuchungen von Stickoxiden und Sauerstoff auf gestuften und nieder-indizierten Rhodium-Oberflächen weisen darauf hin, dass diese Oberflächen Stickoxide nicht zersetzen können, da sie umgehend Sauerstoff-vergiftet sind. Um ein genaueres Verständnis der relevanten Oberflächenprozesse zu erreichen, wurden Oberflächenreaktionen sowie Oberflächenmobilitäten mittels quantenchemischer Dichtefunktional (DFT)-Berechnungen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die vorherrschende Oberflächenfacette auf Katalysatorpartikeln, die (111)-Oberfläche, relativ inaktiv bzgl. der NO-Zersetzung ist. Die Oberfläche wird zusätzlich durch die Präsenz einer Sauerstoff- Vorbelegung deaktiviert. Des Weiteren wurde gezeigt, dass Sauerstoff sich anfänglich sehr schnell auf Rhodium(111) zersetzt, während dieser Prozess selbsthemmend ist; die Aktivierungsenergie steigt mit steigender Sauerstoffbedeckung. Die Vermutung, dass die Deaktivierung in beiden Fällen (NO und O2) auf die dem Rhodium Elektronen-entziehende Wirkung der Sauerstoffvorbelegung zurückzuführen ist, wird durch Ladungsanalysen unterstützt. DFT-Untersuchungen von monoatomaren Stufen, dem häufigsten Defekt auf Katalysatorpartikeln, zeigten, dass die NO-Zersetzung hier wesentlich wahrscheinlicher ist, während der Prozess ebenfalls durch Sauerstoffvorbelegung deaktiviert wird. Es wurde aufgezeigt, dass, obwohl elektronische Effekte die Reaktionswahrscheinlichkeit beeinflussen, sterische Effekte einflussreicher sind. Das qualitative Wissen, welches aus diesen DFT-Studien gewonnen wurde, war die Basis von zeitabhängigen Simulationen der reaktiven Strömung in Autoabgaskatalysatoren mittels DETCHEMTRANSIENT. DETCHEMTRANSIENT ist ein Modul von DETCHEM (O. Deutschmann et al.), welches als Teil der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde. Es simuliert das instationäre Verhalten von reaktiven Strömungen mittels eines hierarchischen Modellierungsansatzes. Zeitabhängige Umsätze simuliert durch DETCHEMTRANSIENT, basierend auf Elementarreaktions-Mechanismen, welche durch DFT-Berechnungen optimiert wurden (s.o.), konnten experimentell bestimmte Umsatzkurven erfolgreich reproduzieren. Die vorliegende Arbeit ist ein wichtiger Schritt zu einer detaillierten Multiskalen- Modellierung von Autoabgaskatalysatoren. In einem umfassenden Ansatz müssen Prozesse auf den relevanten Skalen vom Mikroskopischen zum Makroskopischen (von der Quantenchemie zum Strömungsverhalten) beschrieben werden. Im Speziellen konnten Erkenntnisse aus der Quantenchemie dazu beitragen, Prozesse auf höheren Zeit- und Längenskalen zu verstehen.
date: 2005
type: Dissertation
type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
type: NonPeerReviewed
format: application/pdf
identifier: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserverhttps://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/5716/1/Diss_Inderwildi_final.pdf
identifier: DOI:10.11588/heidok.00005716
identifier: urn:nbn:de:bsz:16-opus-57165
identifier:   Inderwildi, Oliver Richard  (2005) Multiscale Modelling for Automotive Exhaust-Gas Aftertreatment – From the Quantum Chemistry to the Engineering Level.  [Dissertation]     
relation: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/5716/
rights: info:eu-repo/semantics/openAccess
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language: eng