Application of cerium oxide thin films grown by atomic layer deposition for soot removal
Toivonen, Jenni (2014)
Diplomityö
2014
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014081432820
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2014081432820
Tiivistelmä
The objective of the thesis is to study cerium oxide thin films grown by the atomic layer deposition (ALD) for soot removal. Cerium oxide is one of the most important heterogeneous catalysts and can be used in particulate filters and sensors in a diesel exhaust pipe. Its redox/oxidation properties are a key factor in soot oxidation. Thus, the cerium oxide coating can help to keep particulate filters and sensors clean permanently.
The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated.
Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies. Työn tarkoituksena on tutkia atomikerroskasvatuksella (atomic layer deposition, ALD) valmistettujen ceriumoksidiohutkalvojen käyttöä noen poistossa. Ceriumoksidi on yksi tärkeimmistä heterogeenisistä katalyyteista ja sen hapetus-pelkistysominaisuudet ovat tärkeässä osassa noen hapetusreaktiossa. Ceriumoksidia voidaan käyttää pinnoitteena diesel-moottorien pakokaasu-putkiston partikkelisuodattimissa ja antureissa, jolloin se auttaa pitämään partikkelisuodattimet tai anturit puhtaana noesta.
Työn kirjallisuusosa keskittyy nokeen ja sen poistamiseen. Kirjallisuusosassa noen synty ja rakenne esitellään, dieselpartikkelien päästörajoitukset käydään läpi ja menetelmiä sekä katalyyttejä noen poistamiseen esitetään. Kokeellisessa osassa etsitään optimaaliset ALD-olosuhteet ceriumoksidin kasvattamiselle, analysoidaan ceriumoksidikalvojen rakenteelliset ominaisuudet ja tutkitaan ceriumoksidi-pinnoitteiden katalyyttistä aktiivisuutta noen hapetuksessa.
ALD-kasvatusolosuhteiden tutkiminen on oleellista katalyyttisen tehokkuuden maksimoimiseksi suhteellisen alhaisessa lämpötilassa. Ceriumoksidikalvolla, joka kasvatettiin 300 °C:ssa 2000 syklillä, todettiin olevan tutkituista ohutkalvoista suurin katalyyttinen aktiivisuus. Aktiivisuus oli kuitenkin kohtalainen eikä alentanut noen hapetuslämpötilaa riittävästi, jotta sitä voitaisiin soveltaa käyttöön tosielämässä. Ohutkalvossa, joka kasvatettiin 300 °C:ssa 2000 syklillä, oli erilainen kiderakenne, pinnan morfologia, alkuainekoostumus ja Ce3+-konsentraatio muissa kasvatuslämpötiloissa valmistettuihin kalvoihin verrattuna. Nämä ohutkalvon ominaisuudet parantavat katalyyttista aktiivisuutta todennäköisesti suuremman pinta-alan ja happivakanssien muodostumisen vuoksi.
The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated.
Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies.
Työn kirjallisuusosa keskittyy nokeen ja sen poistamiseen. Kirjallisuusosassa noen synty ja rakenne esitellään, dieselpartikkelien päästörajoitukset käydään läpi ja menetelmiä sekä katalyyttejä noen poistamiseen esitetään. Kokeellisessa osassa etsitään optimaaliset ALD-olosuhteet ceriumoksidin kasvattamiselle, analysoidaan ceriumoksidikalvojen rakenteelliset ominaisuudet ja tutkitaan ceriumoksidi-pinnoitteiden katalyyttistä aktiivisuutta noen hapetuksessa.
ALD-kasvatusolosuhteiden tutkiminen on oleellista katalyyttisen tehokkuuden maksimoimiseksi suhteellisen alhaisessa lämpötilassa. Ceriumoksidikalvolla, joka kasvatettiin 300 °C:ssa 2000 syklillä, todettiin olevan tutkituista ohutkalvoista suurin katalyyttinen aktiivisuus. Aktiivisuus oli kuitenkin kohtalainen eikä alentanut noen hapetuslämpötilaa riittävästi, jotta sitä voitaisiin soveltaa käyttöön tosielämässä. Ohutkalvossa, joka kasvatettiin 300 °C:ssa 2000 syklillä, oli erilainen kiderakenne, pinnan morfologia, alkuainekoostumus ja Ce3+-konsentraatio muissa kasvatuslämpötiloissa valmistettuihin kalvoihin verrattuna. Nämä ohutkalvon ominaisuudet parantavat katalyyttista aktiivisuutta todennäköisesti suuremman pinta-alan ja happivakanssien muodostumisen vuoksi.