Katalysatoren

Effektiver durch dynamische Katalysatoroberfläche

Ein neues Katalysatorkonzept könnte helfen, auch beim Kaltstart von Motoren und im Stadtverkehr Abgase effizient nachzubehandeln und teures Edelmetall einzusparen. Es nutzt die Wechselwirkung zwischen Platin und dem Ceroxid-Träger, um die Katalyseaktivität durch kurzzeitige Änderungen in der Motorbetriebsweise zu kontrollieren.

Ein Autokatalysator wandelt giftige Kohlenmonoxid (CO) in ungiftiges Kohlendioxid (CO2) um und besteht aus Cer (Ce), Sauerstoff (O) und Platin (Pt)(Bild Gänzler/KIT).  

Platin wird aufgrund seiner guten katalytischen Eigenschaften vielfach in Fahrzeugkatalysatoren eingesetzt, derzeit beträgt die Menge etwa 60 % des europäischen Platin-Handels. Die Wissenschaftler des KIT und ihre Partner stellen am Beispiel eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC) - in dem Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid nachverbrannt werden - fest, dass die Partikelgröße und der Oxidationszustand der Platinkomponente während des Betriebs gezielt verändert werden können. Hierbei spielen die Wechselwirkungen zwischen dem Trägermaterial und dem aufgebrachten Edelmetall eine wichtige Rolle. Die Ergebnisse zeichnen das Bild einer höchst dynamischen Katalysatoroberfläche, die äußerst sensibel auf externe Einflüsse wie die Abgaszusammensetzung reagiert. Die Forscher zeigen Wege auf, wie diese Dynamik zur Verbesserung von Katalysatoren genutzt werden kann.

Katalytische Aktivität regulieren

„Das Besondere ist, dass wir die Größe und den Zustand der Edelmetall-Nanopartikel auf der Katalysatoroberfläche einstellen können. Die eingesetzten Methoden ermöglichen es uns, dies unter relevanten und sogar realen Arbeitsbedingungen zu nutzen und direkt die katalytischen Aktivität der Materialien einzustellen“, sagt Andreas Gänzler, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Instituts für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT und Hauptautor der Studie „Tuning the Structure of Platinum Particles on Ceria In Situ for Enhancing the Catalytic Performance of Exhaust Gas Catalysts“, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Angewandte Chemie vorgestellt wird. In der Studie haben die Forscher gezeigt, wie empfindlich der Zustand des Platins auf die Zusammensetzung – etwa das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Sauerstoff – und die Temperatur des Abgases reagiert. Schon in heute eingesetzten Systemen zur Abgasnachbehandlung wird der Motorbetrieb gezielt verändert, um die Abgaszusammensetzung einzustellen, etwa zur Regeneration von Rußpartikelfiltern oder NOx-Speicherkatalysatoren. Die Studie zeigt auf, dass auf diese Weise auch die Platin-Aktivkomponente optimal eingestellt werden kann, um die Katalysatoraktivität zu erhöhen und den Bedarf an eingesetztem Edelmetall hierdurch zu reduzieren.

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In dem deutsch-französischen Kooperationsprojekt kamen anspruchsvolle Methoden zum Einsatz, mit denen sich die Materialien unter Betriebsbedingungen bei der Arbeit beobachten lassen. Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie - Environmental Transmission Electron Microscopy (ETEM) - ließen sich strukturelle Veränderungen auf atomarer Ebene des Materials visualisieren. Die Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Synchrotron-Einrichtung Soleil im französischen St. Aubin und am Karlsruher Speicherring Kara des KIT ermöglichte es, die Prozesse unter realistischen Abgasbedingungen aufzudecken. „Durch diese Beobachtungen der Katalysatormaterialien unter realen Bedingungen, lassen sich die Erkenntnisse schneller in die Anwendung übertragen“, betont Gänzler.

Struktur der Platin-Nanopartikel verändert

Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse lässt sich die katalytische Aktivität von Diesel-Oxidationskatalysatoren bei niedriger Temperatur erhöhen. Die Wissenschaftler leiten aus ihren Beobachtungen ein vielversprechendes grundsätzliches Konzept ab, um die Größe und Struktur der Platinpartikel abhängig von der benötigten Katalyseaktivität während des Betriebs gezielt zu steuern. Dies lässt sich unter anderem nutzen, um die Katalysatorleistung beim Kaltstart von Verbrennungsmotoren und während Fahrten im Stadtverkehr deutlich zu verbessern. „Die Struktur der Edelmetall-Nanopartikel lässt sich in der Anwendung zum Beispiel durch kurze Änderungen in der Motorbetriebsweise beeinflussen“, sagt Gänzler.

Die Erkenntnisse der Forscher versprechen aktuelle und künftige Katalysatoren zu verbessern und wirtschaftlicher zu machen, denn der Edelmetallgehalt kann dadurch um bis zu 50 % verringert werden. Die Studie, die Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom ITCP des KIT „eines der großen Highlights in der Katalysatorforschung“ nennt und in Fachkreisen Resonanz findet, entstand innerhalb der deutsch-französischen Deufrako-Forschungskooperation im Zuge des Projekts „ORCA - Oxidations/Reduktions-Katalysator für Dieselfahrzeuge der nächsten Generation“.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie stellt für das Vorhaben 960.000 Euro Fördergeld bereit. An der Kollaboration beteiligt sind neben dem KIT das Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon (Ircelyon), die TU Darmstadt, das Chemieunternehmen Solvay und das Materialtechnologie- und Recyclingunternehmen Umicore, Standort Hanau.

Literatur 

Andreas M. Gänzler, Maria Casapu, Philippe Vernoux, Stéphane Loridant, Francisco J. Cadete Santos Aires, Thierry Epicier, Benjamin Betz, Rüdiger Hoyer, and Jan- Dierk Grunwaldt: Tuning the Structure of Platinum Particles on Ceria In Situ for Enhancing the Catalytic Performance of Exhaust Gas Catalysts. DOI: 10.1002/anie.201707842

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