Dyna­mi­sche Kata­ly­sa­toren arbeiten besser

Das Edelmetall Platin findet nicht nur als Schmuck Verwendung. Aufgrund seiner guten katalyti­schen Eigenschaften wird es vor allem in Fahrzeug­ka­ta­ly­sa­toren eingesetzt – und langsam wird es knapp. „Wir stehen vor einem Ressourcen­pro­blem, denn mehr als 50 Prozent des europäischen Platin-Handels gehen schon jetzt in den Markt der Abgaskata­lyse, Tendenz steigend“, beschreibt Professor Jan-Dierk Grunwaldt vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) am KIT das Problem, denn die Anforderungen an die Reinigungs­leis­tung von Katalysa­toren werden immer höher und die Zahl der Autos nimmt zu. Für die Forscher geht es deshalb darum, das Platin im Katalysator effizienter zu nutzen.

„Mit der Zeit verringert sich die katalyti­sche Wirksamkeit, da Platinna­no­par­tikel auf der Oberfläche des Trägerma­te­rials zusammen­wachsen und nicht mehr gleichmäßig verteilt sind“, erklärt Grunwaldt. Durch die hohen Betriebs­tem­pe­ra­turen von mehr als 500 Grad Celsius ballen sich die Edelmetal­la­tome wie Wassertropfen zusammen oder diffundieren in den Festkörper hinein. Dann sind sie für die Prozessschritte der Abgasrei­ni­gung nicht mehr verfügbar, der Katalysator wird ineffizient und die Reinigungs­leis­tung lässt nach.

Platinpar­tikel reagieren auf Abgaszusam­men­set­zung

Die Wissenschaftler stellten am Beispiel eines Diesel-Oxidations­ka­ta­ly­sa­tors, in dem Kohlenwas­ser­stoffe und Kohlenmon­oxid nachverbrannt werden, fest, dass die Partikel­größe und der Oxidations­zu­stand der Platinpar­tikel auf der Katalysa­to­ro­ber­fläche während des Betriebs gezielt verändert werden können. „Das Besondere ist, diesen Effekt unter realen Arbeitsbe­din­gungen zu nutzen und die katalyti­schen Aktivität der Materialien direkt einzustel­len“, sagt Andreas Gänzler, wissenschaft­li­cher Mitarbeiter am ITCP. Dabei spielt vor allem die Abgaszusam­men­set­zung eine Rolle, denn darauf reagiert die Katalysa­to­ro­ber­fläche sehr sensibel.

Wird nämlich die Abgaszusam­men­set­zung zum Beispiel kurzfristig pulsartig mit Kohlenwas­ser­stoffen angereichert, bilden sich erneut kleine Platinpar­tikel an der Oberfläche, die dann wieder katalytisch aktiv sind. Die Reinigungs­leis­tung steigt.

Neue Erkenntnisse dank Hightech-Analytik

Die Studie, die Jan-Dierk Grunwaldt „eines der großen Highlights in der Katalysa­tor­for­schung“ nennt, entstand innerhalb der deutsch-französi­schen Deufrako-Forschungs­ko­ope­ra­tion im Zuge des Projekts „ORCA - Oxidations/Reduktions-Katalysator für Dieselfahr­zeuge der nächsten Generation“, mit den Partnern vom Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environne­ment de Lyon (IRCELYON), der TU Darmstadt, des Chemieun­ter­neh­mens Solvay und des Material­tech­no­logie- und Recycling­un­ter­neh­mens Umicore AG & Co. KG, Standort Hanau.

Hierbei kamen anspruchs­volle Methoden zum Einsatz. Mit Hilfe der Elektronen­mi­kro­skopie ließen sich Struktur­ver­än­de­rungen auf atomarer Ebene des Materials visualisieren. „Elektronen­mi­kro­sko­pi­sche Aufnahmen zeigen die ausgeprägte Dynamik der Platinpar­tikel “, sagt Grunwaldt. Allerdings muss man bei der Elektronen­mi­kro­skopie im Millibar-Bereich arbeiten, also mit einem Tausendstel des Atmosphä­ren­drucks. Das bleibt nicht ohne Einfluss auf das Verhalten der Materialien. Daher braucht es eine weitere Methode, um dem Katalysator direkt auf atomarer Ebene bei der Arbeit zuschauen zu können. „Das gelingt mit dem Einsatz von Röntgenstrah­lung wie sie an modernen Synchrotron-Strahlungs­ein­rich­tungen bereitge­stellt wird“, so Grunwaldt. Diese wurde genutzt um entsprechende röntgenab­sorp­ti­ons­spek­tro­sko­pi­sche Untersuchungen an der Synchrotron-Einrichtung SOLEIL im französi­schen St. Aubin, am Karlsruher Speicher­ring ANKA des KIT und am DESY in Hamburg an PETRA III durchzuführen. Dieses Verfahren gibt es zwar bereits zwanzig Jahre, die Qualität der Röntgenstrah­lung, sowie die zeitliche Auflösung der Messungen entwickelte sich aber beständig weiter und ermöglichte damit immer tiefere Einblicke in die chemischen Abläufe auf der Katalysa­to­ro­ber­fläche.

Höhere Katalysator-Effizienz mit weniger Platin

Die Ergebnisse aus Elektronen­mi­kro­skopie und der spektrosko­pi­schen Untersuchungen konnten die Wissenschaftler erfolgreich zusammen­führen und damit die atomaren Strukturen der Edelmetall-Nanopartikel analysieren – beste Vorausset­zung für die nächsten Schritte: „Durch die Beobachtungen der Katalysa­tor­ma­te­ria­lien unter realen Bedingungen lassen sich die Erkenntnisse schneller in die Anwendung übertragen“, betont Gänzler. So entstand ein vielverspre­chendes Konzept, um die Größe und Struktur der Platinpar­tikel abhängig von der benötigten Katalyse-Aktivität während des Betriebs gezielt zu steuern. In der Praxis wäre es damit möglich, die Katalysa­tor­leis­tung beim Kaltstart von Verbrennungs­mo­toren und während Fahrten im Stadtver­kehr, wenn die optimale Betriebs­tem­pe­ratur noch nicht erreicht ist, deutlich zu verbessern. „Dafür könnte bereits eine kurze Änderungen der Motorbetriebs­weise reichen“, sagt Gänzler. Zusätzlich zu einer verbesserten Reinigungs­leis­tung lasse sich der Edelmetall­ge­halt deutlich verringern.

Das Konzept der Reaktivie­rung der Edelmetall­na­no­par­tikel ist nicht beschränkt auf die Abgas-Katalyse im mobilen Bereich, so Grunwaldt. „Man kann sich dies auch für andere industriell genutzte Edelmetall-Katalysa­toren vorstellen, etwa in stationären Anlagen wenn es darum geht, kurzfristig in Methan gespeicherten regenerativ erzeugten Strom zurückzu­ge­winnen, oder in ganz anderen Bereichen der chemischen Industrie wie der Hydrierung oder Oxidation in feinchemi­schen Prozessen, wo ebenfalls Edelmetalle genutzt werden.“

Die Katalysator-Experten vom KIT wird das Thema auch zukünftig beschäftigen. „Jetzt wollen wir natürlich wissen, warum genau die gefundene Größe der Platinpar­tikel so wirkungs­voll ist. Zudem möchten wir diese Partikel dann auch stabilisieren. Die Effekte sind da, die Ergebnisse spannend, jetzt geht’s zum nächsten Schritt – das hört ja nicht auf“, resümiert Grunwaldt.