Catalytic behaviour of LNT and SCR commercial catalysts investigated by FTIR-operando spectroscopy

In this thesis, catalytic behaviour of commercial LNT and SCR catalysts is studied. LNT (Lean NOx Trap) and SCR (Selective Catalytic Reduction) technologies represent two widely applied solutions to cope with regulations related to the emissions of NOx in the exhausts from lean-burn Diesel engines. The thesis is divided in two parts: the aim of the first part is to analyse the typical reactivity of a LNT commercial catalyst in different conditions, to evaluate the effect of temperature and gaseous feed composition on its activity. The work especially focuses on the nature, the stability and the reactivity of the species formed on the catalytic surface as the reactions occur, investigated by means of FTIR-operando spectroscopy. The second part concerns the reactivity of a commercial SCR catalyst: the sample is characterized, and a combined LNT-SCR system is investigated. Combined LNT-SCR approach is gaining relevance since it allows more efficient NOx and NH3 emission removal. The LNT commercial catalyst presents a good activity both in storage and in reduction of NOx, although relevant formation of N2O and NH3 is seen at low temperature (100°C-150°C). The activity is decreased by the presence of CO2 and water and when using CO as reductant, due to formation of stable carbonyls and isocyanates. The combined LNT-SCR system investigated led to good operative results, limiting NH3 and NOx emission, also in presence of water and CO in the feed. As a whole, the obtained results allowed to obtain information on the behaviour of the catalyst samples and on the role of surface species in the selectivity of the investigated catalysts.

Questa tesi tratta il comportamento catalitico di catalizzatori commerciali SCR e LNT. Le tecnologie LNT (Lean NOx Trap) e SCR (Selective Catalytic Reduction) rappresentano soluzioni applicate su vasta scala per soddisfare i regolamenti imposti alle emissioni di NOx nei gas di scarico di motori Diesel a combustione magra. La tesi è divisa in due parti: l’obiettivo della prima parte è analizzare la reattività tipica di un catalizzatore LNT commerciale in diverse condizioni operative, per valutare l’effetto di temperatura e composizione del gas di scarico sulla sua attività. La tesi si concentra in particolare sulla natura, sulla stabilità e sulla reattività delle specie superficiali formate sulla superficie catalitica nel corso della reazione, investigate tramite la spettroscopia FTIR in operando. La seconda parte riguarda la reattività di un catalizzatore commerciale SCR: il campione è stato caratterizzato, e successivamente un sistema combinato LNT-SCR è stato studiato. I sistemi combinati LNT-SCR stanno ottenendo maggiore rilevanza poiché permettono una rimozione più efficiente di NOx e ammoniaca. Il catalizzatore commerciale LNT mostra una buona attività, sia nell’accumulo degli NOx che nella loro riduzione, sebbene una formazione rilevante di NH3 e N2O sia osservata a basse temperature (100°C-150°C). L’attività è ridotta dalla presenza di CO2, acqua e CO per la formazione di carbonili stabili ed isocianati. Il sistema combinato LNT-SCR studiato ha condotto a buoni risultati operativi, limitando le emissioni di NOx ed ammoniaca, anche in presenza di CO e acqua. Nel complesso, i risultati ottenuti hanno permesso di ottenere informazioni sul comportamento dei catalizzatori e sul ruolo delle specie superficiali nella selettività dei catalizzatori investigati.