Bereit für den Motor: Metallnanopartikel fungieren als Katalysatoren
Materialien, welche die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen und dabei unverändert bleiben – sogenannte Katalysatoren – bilden das Herzstück vieler Technologien. Ein bekanntes Beispiel sind Autoabgasanlagen, die giftige Dämpfe in umweltschonendere Gase umwandeln. Leider sind Katalysatoren oft teuer, da sie typischerweise ein Edelmetall oder mehrere Edelmetalle wie Platin, Rhodium oder Palladium enthalten, die nur begrenzt vorhanden sind. Das EU-finanzierte Projekt PROMETHEUS hat eine Art und Weise gefunden, um diese Einschränkung im Automobilsektor zu umgehen. Dabei wird die gleiche katalytische Effizienz mit nur etwa einem Zehntel der Menge an Edelmetallen beibehalten. „Bisher wurde angenommen, dass die Qualität von Katalysatoren in der Fahrzeugbranche der Menge der im Katalysator enthaltenen Platinmetalle entspricht. Das Projekt PROMETHEUS beweist, dass Nanotechnologie zur Herstellung von Automobilkatalysatoren mit 85 % weniger Edelmetallen beiträgt und gleichzeitig die gleiche Leistung wie die kommerziellen Katalysatoren für Fahrzeuge beibehält, die der Abgasnorm Euro 6d entsprechen“, erklärt Iakovos Yakoumis, Koordinator von PROMETHEUS und Gründer des koordinierenden Unternehmens MONOLITHOS Catalysts.
Nanotechnologie ist der Schlüssel zur Steigerung der Reaktivität
Zur Erfüllung der immer strengeren Emissionsnormen müssen Automobilhersteller mehr Platinmetalle in die Katalysatoren laden. Platinmetalle haben eine hohe selektive katalytische Reduktionseffizienz, sodass sie Stickoxide in harmlosen Stickstoff und Wasser reduzieren können. Das Projekt PROMETHEUS synthetisierte stattdessen Katalysatoren auf Nanomaterialbasis in Form von Pulver, welches die Anhäufung von Metallpartikeln verhindern. Im Gegensatz zu ihren größeren Gegenstücken haben Nanopartikel eine größere Oberfläche, welche die Eigenschaften wie u. a. die Reaktivität des Katalysators verbessert. „Der neuartige Katalysator basiert auf Kupfer-Nanopartikeln. Kupfer hat im Vergleich zu anderen Platinmetallen eine relativ geringe katalytische Effizienz. Um das auszugleichen, fügte das Projekt MONOLITHOS dem Katalysatorgemisch eine höhere Menge Kupfer hinzu, was zu vernachlässigbar geringen Kosten führt“, erklärt Yakoumis. Trotz des steigenden Preises ist Kupfer im Vergleich zu anderen Platinmetallen immer noch weitaus günstiger.
Ein detailliertes Bild des Aufbereitungsprozesses von Katalysatoren
Zum ersten Mal gelang es den Forschenden, große Mengen an aktiven Katalysatorpulvern (über 100 kg) zu synthetisieren, die Kupfer, Palladium und Rhodium enthielten. Für die Synthese der heterogenen Nanokatalysatoren verwendeten sie eine allgemein verwendete Methode, die als Nassimprägnierung bekannt ist. Das Sol-Gel-Verfahren half bei der Ablagerung der Nanopartikel auf dem monolithischen Katalysatorträger. Der Katalysatorträger wurde optimiert, um die größtmögliche aktive Oberfläche und Sauerstoffspeicherkapazität zu erreichen – beide Eigenschaften spielen eine Schlüsselrolle bei der katalytischen Aktivität von Oxidationsreaktionen. Die Forschenden verwendeten auch ein spezielles Bindemittel, um eine homogene Imprägnierung des Katalysators in den Wänden des monolithischen Substrats zu erreichen. Alle Materialien wurden unter Verwendung verschiedener Mikroskopietechniken charakterisiert. Zur effizienten Messung der katalytischen Aktivität für die mit Wasserdampf befeuchteten Mehrgasemissionen (Kohlenmonoxid, Stickoxide und Methan) verwendete MONOLITHOS einen Synthetikgas-Prüfstand. Diese Einheit erzeugt die für Autokatalysatoren typischen Gasatmosphären und Reaktionstemperaturen. Zum Testen der Katalysatoralterung stellte das Unternehmen die Katalysatoren in einen Ofen, der hydrothermale Reaktionen bei hohen Drücken und Temperaturen durchführt. Der Prometheus-Katalysator bewies seine Beständigkeit nach hydrothermaler Alterung (mit 10 % Wasser) bei 1 050 °C vier Stunden lang und bei 850 °C 16 Stunden lang. „Trotz des begrenzten Anteils an Platinmetallen in Höhe von 15 % zeigten unsere Katalysatoren ähnliche Aktivitäten wie kommerzielle Euro-6d-Katalysatoren“, erklärt Yakoumis. Bisher wurden mehrere Angriffspunkte zur Verringerung des Gehalts an Platinmetallen in Katalysatoren verfolgt. Die Umwandlung der Metalle in Nanopartikel wie bei MONOLITHOS ist ein echter Impuls für umweltfreundlichere Straßenfahrzeuge.
Schlüsselbegriffe
PROMETHEUS, Katalysator, MONOLITHOS, Platinmetalle, Nanopartikel, Kupfer, Edelmetalle, Katalysator, Reaktivität
