Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Katalysator auch für den Kaltstart

06.12.2005


Ladungsverteilung eines nanooxidierten Palladiumclusters. Die blauen Bereiche befinden sich an den Orten der Palladium-Atome und repräsentieren Ladungsunterschuss. Die gelben Bereiche bedecken die Sauerstoffatome und stellen Ladungsanhäufung dar. Das Nanooxid ist ein wichtiger Zwischenzustand für die Verbrennung von CO zu CO2.


Materialforscher am Fraunhofer IWM analysieren Abbau von Schadstoffen und entwickeln völlig neue Designregeln.


Gemeinsam haben deutsche und finnische Materialforscher neue Erkenntnisse über die Reaktionsabläufe in Fahrzeug-Katalysatoren gewonnen. Werden sie beachtet, dann ist der Schadstoffabbau künftig auch auf den ersten Kilometern mit kaltem Motor und kaltem Kat möglich. Die Details wurden am 5. Dezember in der Vorab-online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht.

Das Ergebnis kommt zunächst ganz unscheinbar daher: Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und des Materialforschungszentrum der Universität Freiburg berechnen und erklären zusammen mit Kollegen der finnischen Universität Jyväskylä, die katalytischen Eigenschaften von Palladium-Nanopartikeln auf einer keramischen Oberfläche und entdecken dabei einen neuartigen Katalysemechanismus. Bei genauerem Hinsehen haben diese Resultate jedoch weit reichende Konsequenzen für die Luftreinhaltung. Die Forschergruppe um Michael Moseler fand nämlich, dass besonders kleine Palladiumpartikel schon bei tiefen Temperaturen Sauerstoffmoleküle (O2) aus der Umgebung zu atomarem Sauerstoff aufbrechen und in ihrem Innern speichern. Das dabei entstandene Palladium-Nanooxid zieht Kohlenmonoxid (CO) aus der Umgebung an, setzt gleichzeitig den atomaren Sauerstoff wieder frei und verbrennt dabei das giftige CO zu unschädlichem Kohlendioxid. Hinter dieser Entdeckung und der ihr zugrunde liegenden Modellierung der "Oxidation magnesiumgeträgerter Palladium-Cluster" verbergen sich intensive Forschungsarbeit und wertvolle Erkenntnisse für Katalysatorenhersteller der Fahrzeugindustrie.


Es geht um die katalytischen Eigenschaften von Übergangsmetallen, und im Besonderen von Palladium. Dieses kostbare Metall sitzt in den Keramikwaben der heutigen Autokatalysatoren. Dort beschleunigt es die entscheidenden Reaktionen, die zur Luftreinhaltung erforderlich sind. So sorgt es unter anderem dafür, dass Kohlenmonoxid in das für die Atemluft unschädliche Kohlendioxid oxidiert wird, oder dass "saures" Stickstoffmonoxid mit Kohlenmonoxid zu Stickstoff und Kohlendioxid reagiert. Doch obwohl Autokatalysatoren mittlerweile seit 20 Jahren eingesetzt werden, "ist ihre genaue Funktionsweise immer noch unverstanden", erläutert Michael Moseler, Mitarbeiter am Fraunhofer IWM Freiburg und am Materialforschungszentrum der Universität.

Einige zehn Nanometer sind die Partikel in den gängigen Kats groß. Diese sind riesig im Vergleich zu den atomaren Clustern, die Moseler und seine Kollegen untersuchen. Die Frage, so Moseler, war zunächst: "Wie und wo reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid, und wie kann man diese Reaktion beschleunigen?" Die Antwort darauf wurde aber nicht durch Experimente, sondern mit Hilfe des Superrechners im John von Neumann-Institut für Computing in Jülich gefunden. Bei der quantenmechanischen Berechnung von neun Palladium-Atomen auf einem Keramikträger zeigte sich, dass die Sauerstoffatome schon bei sehr niedrigen Temperaturen - circa minus 20 Grad Celsius - angelagert wurden, um anschließend bei ähnlich tiefen Temperaturen mit dem Kohlenmonoxid zu reagieren.

Anders gesagt: Die Oxidation des Kohlenmonoxids, ist auch bei kaltem Motor, kaltem Kat und niedrigen Außentemperaturen kein Problem - "wenn die Keramik mit ultrafeinen Nanopartikeln beschichtet ist", betont Michael Moseler. Denn nur die kleinen Partikel mit wenigen Atomen reagieren so schnell. "Größere Palladiuminseln katalysieren erst von 100 Grad Celsius aufwärts", erläutert Michael Moseler.

Das herauszufinden, hat die Forscher aus Freiburg und dem finnischen Jyväskylä zwei Jahre gekostet. Es galt ein Rechenmodell mit den entscheidenden Parametern zu entwickeln, und "geduldig auf die häppchenweise Zuteilung von 100000den von Prozessorstunden zu warten," stöhnt Bernd Huber, Doktorand am Freiburger Materialforschungszentrum und Erstautor der Publikation. Der Aufwand hat sich gelohnt. Experimentelle Untersuchungen von Ulrich Heiz, Professor an der Technischen Universität München, geben den Theoretikern in allen wesentlichen Punkten Recht. Im Gegensatz zu den Experimentatoren haben die Theoretiker um Moseler jedoch Einblick in die grundlegenden atomistischen Prozesse und damit in mögliche neue Konzepte für Katalysatoren.

"Wenn Hersteller von Katalysatoren die Designvorgaben berücksichtigen, die sich aus unserer Arbeit ergeben, dann wird die Luft bald noch sauberer sein", ist Michael Moseler überzeugt. Im Detail stellen Moseler und seine Kollegen ihre Arbeit, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt wird, ab 5. Dezember in der online-Ausgabe und danach in der Januar-Ausgabe 2006 der Zeitschrift "Nature Materials" vor.

Thomas Götz | idw
Weitere Informationen:
http://www.iwm.fraunhofer.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Automotive:

nachricht Mobilität von Morgen: Wie wir uns in Zukunft von A nach B bewegen
07.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT

nachricht Verbesserte Leistung dank halbiertem Gewicht
24.07.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Automotive >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie