Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Dynamische Katalysatoren für saubere Stadtluft

16.10.2017

Den Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen zu verringern und strenge Abgasnormen gerecht zu werden, ist eine wesentliche Herausforderung in der Katalysatorentwicklung. 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 Ceroxidträger, um die Katalyseaktivität durch kurzzeitige Änderungen in der Motorbetriebsweise zu kontrollieren, wie die Forscher nun im Fachjournal Angewandte Chemie berichten.

Platin wird aufgrund seiner guten katalytischen Eigenschaften vielfach in Fahrzeugkatalysatoren eingesetzt, derzeit beträgt die Menge etwa 60 Prozent 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.


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

Bild Gänzler/KIT

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.

„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.

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.

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, neuartige Katalysatoren zu verbessern und wirtschaftlicher zu machen, denn der Edelmetallgehalt kann dadurch um bis zu 50 Prozent 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 AG & Co. KG, Standort Hanau.

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

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201707842/abstract

Weiter Informationen:

http://www.itcp.kit.edu/abgaszentrum

Details zum KIT-Zentrum Mobilitätssysteme: http://www.mobilitaetssysteme.kit.edu

Weiterer Kontakt: Kosta Schinarakis, Themenscout, Tel.: +49 721 608 41956, Fax: +49 721 608 43658, E-Mail: schinarakis@kit.edu

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9.300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieurs-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 26.000 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.

Das KIT ist seit 2010 als familiengerechte Hochschule zertifiziert.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.sek.kit.edu/presse.php

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201707842/abstract
http://www.itcp.kit.edu/abgaszentrum
http://www.mobilitaetssysteme.kit.edu
http://schinarakis@kit.edu
http://www.sek.kit.edu/presse.php

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Behandlung von salzhaltigem Abwasser bei der Algenverwertung
14.05.2019 | Jacobs University Bremen gGmbH

nachricht Mikroplastik in Gewässern
13.05.2019 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Quanten-Cloud-Computing mit Selbstcheck

Mit einem Quanten-Coprozessor in der Cloud stoßen Innsbrucker Physiker die Tür zur Simulation von bisher kaum lösbaren Fragestellungen in der Chemie, Materialforschung oder Hochenergiephysik weit auf. Die Forschungsgruppen um Rainer Blatt und Peter Zoller berichten in der Fachzeitschrift Nature, wie sie Phänomene der Teilchenphysik auf 20 Quantenbits simuliert haben und wie der Quantensimulator das Ergebnis erstmals selbständig überprüft hat.

Aktuell beschäftigen sich viele Wissenschaftler mit der Frage, wie die „Quantenüberlegenheit“ auf heute schon verfügbarer Hardware genutzt werden kann.

Im Focus: Self-repairing batteries

UTokyo engineers develop a way to create high-capacity long-life batteries

Engineers at the University of Tokyo continually pioneer new ways to improve battery technology. Professor Atsuo Yamada and his team recently developed a...

Im Focus: Quantum Cloud Computing with Self-Check

With a quantum coprocessor in the cloud, physicists from Innsbruck, Austria, open the door to the simulation of previously unsolvable problems in chemistry, materials research or high-energy physics. The research groups led by Rainer Blatt and Peter Zoller report in the journal Nature how they simulated particle physics phenomena on 20 quantum bits and how the quantum simulator self-verified the result for the first time.

Many scientists are currently working on investigating how quantum advantage can be exploited on hardware already available today. Three years ago, physicists...

Im Focus: Accelerating quantum technologies with materials processing at the atomic scale

'Quantum technologies' utilise the unique phenomena of quantum superposition and entanglement to encode and process information, with potentially profound benefits to a wide range of information technologies from communications to sensing and computing.

However a major challenge in developing these technologies is that the quantum phenomena are very fragile, and only a handful of physical systems have been...

Im Focus: A step towards probabilistic computing

Working group led by physicist Professor Ulrich Nowak at the University of Konstanz, in collaboration with a team of physicists from Johannes Gutenberg University Mainz, demonstrates how skyrmions can be used for the computer concepts of the future

When it comes to performing a calculation destined to arrive at an exact result, humans are hopelessly inferior to the computer. In other areas, humans are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

MS Wissenschaft startet Deutschlandtour mit Fraunhofer-KI an Bord

17.05.2019 | Veranstaltungen

Wie sicher ist autonomes Fahren?

16.05.2019 | Veranstaltungen

Chemie – das gemeinsame Element

16.05.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Integrierte Zuckermoleküle schonen Zellkulturen

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Erstmals Einsatz von gefäßschützendem Antikörper bei kardiogenem Schock

17.05.2019 | Biowissenschaften Chemie

Additive Maschinen lernen Superlegierungen kennen

17.05.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics