Herausforderungen in der Katalysatorentwicklung

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 Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihre Partner haben am Beispiel eines Diesel-Oxidationskatalysators (DOC), in dem Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid nachverbrannt werden, festgestellt, dass die Partikelgröße und der Oxidationszustand der Platinkomponente während des Betriebs gezielt verändert werden können. 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.
In der Studie zeigten die Forscher, 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 verdeutlicht, 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.
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 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 entstand innerhalb der deutschfranzösischen 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 Catalyseet l’Environnement de Lyon (Ircelyon), die TU Darmstadt, das Chemieunternehmen Solvay und das Materialtechnologie- und Recyclingunternehmen Umicore AG & Co. KG, Standort Hanau.