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 Wissenschaftler der TU Freiberg entwickeln Verfahren zur Entfernung von Mikroplastik aus Abwasser
16.01.2020 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

nachricht Tierische Hinweise: ForscherInnen der Universität Graz beobachten anhand von Milben den Klimawandel
15.01.2020 | Karl-Franzens-Universität Graz

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: Miniatur-Doppelverglasung: Wärmeisolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material entwickelt

Styropor oder Kupfer – beide Materialien weisen stark unterschiedliche Eigenschaften auf, was ihre Fähigkeit betrifft, Wärme zu leiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz und der Universität Bayreuth haben nun gemeinsam ein neuartiges, extrem dünnes und transparentes Material entwickelt und charakterisiert, welches richtungsabhängig unterschiedliche Wärmeleiteigenschaften aufweist. Während es in einer Richtung extrem gut Wärme leiten kann, zeigt es in der anderen Richtung gute Wärmeisolation.

Wärmeisolation und Wärmeleitung spielen in unserem Alltag eine entscheidende Rolle – angefangen von Computerprozessoren, bei denen es wichtig ist, Wärme...

Im Focus: Miniature double glazing: Material developed which is heat-insulating and heat-conducting at the same time

Styrofoam or copper - both materials have very different properties with regard to their ability to conduct heat. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz and the University of Bayreuth have now jointly developed and characterized a novel, extremely thin and transparent material that has different thermal conduction properties depending on the direction. While it can conduct heat extremely well in one direction, it shows good thermal insulation in the other direction.

Thermal insulation and thermal conduction play a crucial role in our everyday lives - from computer processors, where it is important to dissipate heat as...

Im Focus: Fraunhofer IAF errichtet ein Applikationslabor für Quantensensorik

Um den Transfer von Forschungsentwicklungen aus dem Bereich der Quantensensorik in industrielle Anwendungen voranzubringen, entsteht am Fraunhofer IAF ein Applikationslabor. Damit sollen interessierte Unternehmen und insbesondere regionale KMU sowie Start-ups die Möglichkeit erhalten, das Innovationspotenzial von Quantensensoren für ihre spezifischen Anforderungen zu evaluieren. Sowohl das Land Baden-Württemberg als auch die Fraunhofer-Gesellschaft fördern das auf vier Jahre angelegte Vorhaben mit jeweils einer Million Euro.

Das Applikationslabor wird im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts »QMag«, kurz für Quantenmagnetometrie, errichtet. In dem Projekt entwickeln Forschende von...

Im Focus: Fraunhofer IAF establishes an application laboratory for quantum sensors

In order to advance the transfer of research developments from the field of quantum sensor technology into industrial applications, an application laboratory is being established at Fraunhofer IAF. This will enable interested companies and especially regional SMEs and start-ups to evaluate the innovation potential of quantum sensors for their specific requirements. Both the state of Baden-Württemberg and the Fraunhofer-Gesellschaft are supporting the four-year project with one million euros each.

The application laboratory is being set up as part of the Fraunhofer lighthouse project »QMag«, short for quantum magnetometry. In this project, researchers...

Im Focus: Wie Zellen ihr Skelett bilden

Wissenschaftler erforschen die Entstehung sogenannter Mikrotubuli

Zellen benötigen für viele wichtige Prozesse wie Zellteilung und zelluläre Transportvorgänge strukturgebende Filamente, sogenannte Mikrotubuli.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

11. Tagung Kraftwerk Batterie - Advanced Battery Power Conference am 24-25. März 2020 in Münster/Germany

16.01.2020 | Veranstaltungen

Leben auf dem Mars: Woher kommt das Methan?

16.01.2020 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2020

16.01.2020 | Veranstaltungen

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

Chemiker lassen Bor-Atome wandern

17.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Infektiöse Proteine bei Alzheimer

17.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Miniatur-Doppelverglasung: Wärmeisolierendes und gleichzeitig wärmeleitendes Material entwickelt

17.01.2020 | Materialwissenschaften

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