Spatially resolved investigation of methane oxidation over Pd-based catalyst : effect of fuel composition and water concentration

Nowadays, growing environmental awareness is driving the transport sector towards the use of cleaner fuels. Among them, natural gas and biomethane seem to be very interesting. The aftertreatment system of a natural gas vehicle consists of the so-called three-way catalytic converter (TWC), which is able to abate unburned hydrocarbons, CO and NOX. The only drawback is that, at the typical temperature of NGV exhausts, methane is hard to be oxidized, due to its high stability. In this work, a commercial Pd-Rh/Al2O3 catalyst has been tested using the spatially resolved sampling technique: concentration and temperature profiles have been evaluated, in order to better understand the reaction mechanisms on the catalytic surface, under different conditions. Two experimental campaigns have been conducted, the first one carried out by using a CH4/CO/H2 mixture as fuel, the second one by testing pure CH4. For both, focus was put on the effect of temperature and water inhibition on methane conversion. Interesting results have been obtained. As it regards the first campaign, concentration profiles suggested the existence of an oxygen partial pressure threshold below which the catalyst results more active towards methane conversion. The relation between the reaction temperature and the occurrence of the oxygen threshold is in good agreement with previous evidences found in the literature. The second experimental campaign highlighted that, under lean conditions, the effect of water inhibition is much more evident at lower temperatures. Under rich conditions, the presence of a new critical oxygen partial pressure was found.

Al giorno d'oggi, la crescente consapevolezza in tema ambientale sta spingendo il settore dei trasporti verso l'impiego di carburanti più puliti. Tra questi, il gas naturale e il biometano sembrano essere tra i più interessanti. In questo lavoro di tesi, un catalizzatore commerciale del tipo Pd-Rh/Al2O3 è stato testato utilizzando tecniche di campionamento in situ, al fine di ottenere profili di concentrazione e temperatura. Questo è stato fatto per comprendere più a fondo i meccanismi di reazione che avvengono sulla superficie del catalizzatore in diverse condizioni. Sono state condotte due campagne sperimentali, la prima utilizzando come combustibile una miscela CH4/CO/H2, la seconda testando CH4 puro. In entrambi i casi, l’attenzione è stata focalizzata sull'effetto della temperatura e dell'inibizione da acqua sulla conversione del metano. Sono stati ottenuti risultati piuttosto interessanti. Per quanto riguarda la prima campagna, i profili di concentrazione hanno suggerito l'esistenza di una soglia di pressione parziale dell'ossigeno al di sotto della quale il catalizzatore mostra una maggiore attività verso la conversione del metano. La corrispondenza tra la temperatura di reazione e la soglia dell’ossigeno è risultata essere in accordo con precedenti evidenze in letteratura. Per quanto riguarda la seconda campagna sperimentale, si è visto che, in condizioni magre, l'effetto inibitorio dell'acqua è molto più pronunciato alle basse temperature. In condizioni ricche, una nuova pressione parziale critica di ossigeno è stata trovata.