See veebileht kasutab küpsiseid kasutaja sessiooni andmete hoidmiseks. Veebilehe kasutamisega nõustute ETISe kasutustingimustega. Loe rohkem
Olen nõus
"Eesti Teadusfondi uurimistoetus (ETF)" projekt ETF9310
ETF9310 "Plasmatekitatud hapnikuühendite roll metall-oksiidide pindadel toimuvates katalüütilistes protsessides (1.01.2012−31.12.2015)", Indrek Jõgi, Tartu Ülikool, Loodus- ja tehnoloogiateaduskond, Tartu Ülikooli Füüsika Instituut.
ETF9310
Plasmatekitatud hapnikuühendite roll metall-oksiidide pindadel toimuvates katalüütilistes protsessides
The role of plasma generated oxygen species in catalytic processes on metal oxide surfaces
1.01.2012
31.12.2015
Teadus- ja arendusprojekt
Eesti Teadusfondi uurimistoetus (ETF)
ETIS klassifikaatorAlamvaldkondCERCS klassifikaatorFrascati Manual’i klassifikaatorProtsent
4. Loodusteadused ja tehnika4.10. FüüsikaP240 Gaasid, vedelike dünaamika, plasma1.2. Füüsikateadused (astronoomia ja kosmoseteadus, füüsika ja teised seotud teadused)100,0
PerioodSumma
01.01.2012−31.12.201217 280,00 EUR
01.01.2013−31.12.201317 280,00 EUR
01.01.2014−31.12.201417 280,00 EUR
01.01.2015−31.12.201517 280,00 EUR
69 120,00 EUR

Antud projekt eesmärgiks on plasmatekitatud hapniku ühendite ja erinevate keemiliste ühendite vahel toimuvate pinnareaktsioonide uurimine. Plasmatekitatud hapnikuühendite reaktsioonid mitmesugustel katalüütilistel pindadel on huvipakkuvad seoses ohtlike gaasiliste ühendite eemaldamisega ümbritsevast keskkonnast. Keskkonnasaaste vähendamisele on pühendatud ka Euroopa Liidu Läänemere-regiooni programmi projekt PlasTEP, mille raames me leidsime, et plasmatekitatud hapnikuühendid võivad oluliselt suurendada pindade katalüütilist aktiivsust NOx ja SOx oksüdeerimisel. Hapnikuühendite täpsem roll pinnareaktsioonides on aga seni jäänud selgusetuks ning ilma süvauuringuteta on plasma-katalüütiliste reaktorite parameetrite optimeerimine väga keerukas. Seni sellised uuringud praktiliselt puuduvad ning käesolev projekt alustaks antud valdkonnas süstemaatilisi uuringuid. Nendeks uuringuteks valmistatakse spetsiaalne reaktsioonikamber, mis võimaldab kindlaks määrata nii reaktsiooniproduktide koostist gaasifaasis kui ka pindadel toimuvate reaktsioonide kineetikat. Erinevate hapnikuühendite (atomaarne hapnik põhi ja selle metastabiilses seisundis, metastabiilne molekulaarne hapnik ja osoon) tekitamiseks kasutatakse mitmesuguseid plasma reaktoreid. Selgitamaks välja konkreetse hapniku ühendi toimet katalüütlistes protsessides optimeeritakse reaktor konkreetse ühendi tekitamiseks ja plasmareaktori väljundis kasutatakse molekulaarsõela. Selleks, et saavutada mõõtmisteks sobiv kogus gaasilisi reaktsioonisaadusi, kasutatakse suure eripinnaga poorseid aluseid, mis kaetakse huvipakkuva katalüütilise materjaliga. Katalüütiliste protsesside uurimisel rakendatakse traditsiooniliselt ühendite kontsentratsiooni muutust väljundis sõltuvana plasma sisendvõimsusest ja temperatuurist. Ühendite kontsentratsioonid gaasikeskkonnas määratakse kasutades nii keemilisi sensoreid kui ka neeldumis- ja emissioonspektroskoopia meetodeid. Uudsena rakendatakse katalüsaatori pinnal tekkivate monokihtide koosseisu määramiseks kvarts-kristall mikrokaalusid. Nende mõõtmiste kombineeritud tulemuste põhjal on võimalik välja töötada antud pinnareaktsioone kirjeldav kineetiline mudel.
The goal of the project is the investigation of the surface reactions between plasma generated oxygen species and various chemical compounds. The understanding of the mechanics of these surface reactions is important due to their role in the removal of hazardous gases from the environment. The protection of environment through the decrease of such hazardous gases is also the goal for an EU Baltic-Sea Region program project PlasTEP, where we have found that the plasma generated oxygen species can substantially enhance the catalyst activity for oxidation of hazardous compounds like NOx and SOx. The role of these oxygen species during the catalysis has remained unknown but without such knowledge, the proper optimization of the plasma-catalytic reactors would be improbable. The present project would start systematic investigations in this field. A special reaction cell will be developed which allows both the measurement of the reaction products in gas phase and investigate the reaction kinetics on the surfaces. Various types of oxygen species (O atoms in ground and metastable states, metastable O2 and ozone) will be produced by different plasma reactors. The role of specific oxygen species in the catalytic processes will be investigated by optimizing the reactors for the production of the specific specimen and by using suitable molecular sieves. Highly porous surfaces coated with extremely thin layer of metal-oxides will be used in the reaction cell to ensure high amount of reaction products. One part of the investigations will be based on the traditional methodology of measuring the concentration of gaseous products as a function of plasma input energy and temperature. Chemical sensors and optical absorption and emission spectroscopy will be used to measure the concentrations. As a new technique, quartz crystal microbalance sensors will be used to determine the mass changes on the surface of same materials. Based on these experimental results, the kinetic model describing the main reactions occurring at the surface is developed.
Uurimistöös vaadeldi hapnikuühendite rolli metalloksiidide pindadel toimuvates katalüütilistes protsessides. Peamiselt uuriti lämmastikoksiidide (NO+NO2) oksüdeerimist kuna need ühendid on põlemisprotsessis tekkivad olulised saasteained ja nende oksüdeerimist plasma ja katalüsaatori koostoimel on suhteliselt vähe uuritud. Katalüütiliste protsesside uurimisel kasutatud hapnikuühendid tekitati plasmaga kas otse katalüsaatori pinna juures või katalüsaatorist eemal. Viimasel juhul jõudis katalüsaatorini vaid osoon. Plasma ja plasma-katalüütilise protsesside kirjeldamiseks tuletati analüütilised võrrandid, mis võimaldasid hinnata katalüsaatori mõju lämmastikoksiidide oksüdeerimisele. Katsetingimustel, kus lämmastikoksiidi ja hapnikuühendite vahel domineerisid kiired gaasifaasis toimuvad reaktsioonid, osalesid pinnareaktsioonides vaid erinevad lämmastikoksiidid ning katalüsaator toimis vaid adsorbendina. Plasmas tekkinud hapnikuühendid osalesid pinnareaktsioonides vaid siis, kui gaasifaasis toimuvad reaktsioonid kulgesid aeglaselt või olid tasakaalustatud vastupidise suunaga reaktsioonidega. Näiteks osooni abil NO2 oksüdeerimisel N2O5-ks võimaldas katalüsaator suurendada efektiivset reaktsiooni kiirust enam kui 4 korda. Selline efektiivsuse kasv omab olulist tähtsust reaalsetes rakendustes. Otsese plasma abil NO oksüdeerimisel NO2-ks, kus efektiivsust piirab NO2 redutseerimine NO-ks atomaarse hapniku toimel, jäi katalüsaatori täiendav oksüdeeriv efekt väiksemaks. Uuriti ka vääveloksiidi oksüdeerimist plasma ja katalüsaatori koostoimel ning sel juhul oli katalüsaatori roll väga suur. Katalüsaatori puudumisel plasma toime praktiliselt puudus, samas kui katalüsaatoriga koos eemaldati plasma abil kuni 25% SO2. Kvartskristallkaaludega prooviti hinnata ka pinnale jäävate ühendite koguseid ja pinnareaktsioonide kineetikat. Selgus, et pinnareaktsioonide toimel eralduva soojuse mõju oli suurem, kui pinnale adsorbeerunud ühendite mass ja seetõttu ei olnud võimalik pinnareaktsioonide kineetikat sel viisil määrata.