Technologie: Wissenschaft

Saubere Abgase dank Katalysator mit Schwamm-Struktur

Saubere Abgase dank Schwamm-Struktur
Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI im schweizerischen Villigen haben einen neuen Katalysator mit Schwamm-Struktur für die Reinigung von Abgasen aus Erdgasmotoren entwickelt. Im Unterschied zu bisherigen Katalysatoren ist er auch bei niedrigen Temperaturen sehr aktiv und bleibt es über lange Zeit. So lässt sich Erdgas sauberer und klimaschonender verbrennen.

Erd- und Biogas werden dadurch noch attraktiver als Ersatz für Erdölprodukte – zum Beispiel als Treibstoff für Autos. Der Trick liegt im Trägermaterial des Katalysators, dessen Struktur an einen Schwamm erinnert. Über ihre Entwicklung berichten die Forschenden in der neuesten Ausgabe des Fachjournals Nature Communications.

Erdgasmotoren sollen den Weg zu mehr Klimaschutz ebnen. Mit ihnen lässt sich aus Gas Strom gewinnen. Und sie gelten als Brückentechnologie im Verkehr, sollen Automotoren auf Erdölbasis, die etwa ein Drittel mehr Kohlendioxid ausstoßen, ersetzen, bis Elektroautos und die dazugehörige Infrastruktur ausgereift sind. Besonders klimafreundlich ist ein Gasmotor, der statt mit fossilem Erdgas mit Biogas betrieben wird. Denn das wird in der Schweiz ausschließlich aus organischen Abfällen produziert, ist also eine erneuerbare und dadurch weitgehend klimaneutrale Ressource.

Doch in der Praxis gibt es noch ein Problem: die Abgase. Die beste Option zur Verbrennung von Erdgas ist eigentlich der sogenannte Magermixmotor. Er mischt dem Gas in der Brennkammer viel Luft bei, denn das mindert die Menge an Treibstoff, die man zum Betrieb braucht. Magermixmotoren sind also besonders effizient.

Sie werden bislang vor allem in Gaskraftwerken, in Schiffen und manchen großen Lastwagen verwendet – jedoch noch nicht in Autos. Denn sie haben den Nachteil, dass sie den Treibstoff nicht so gründlich verbrennen wie Erdgasmotoren mit weniger Luftbeimischung: „Beim Verbrennen von Erd- oder Biogas bleiben recht große Mengen seines Hauptbestandteils Methan übrig. Zudem entsteht auch toxisches Formaldehyd“, sagt Oliver Kröcher, Leiter des Labors für Bioenergie und Katalyse am Paul Scherrer Institut PSI.

Der PSI-Katalysator behandelt das Abgas gründlicher

Methan jedoch ist ein hochpotentes Treibhausgas, 25 Mal klimawirksamer als Kohlendioxid. Seinen Ausstoß sollte man also vermeiden – und den der anderen Schadstoffe ebenfalls. Dazu werden Katalysatoren eingebaut, die die Schadstoffe durch chemische Reaktionen in harmlosere Substanzen umwandeln, bevor diese in die Umwelt gelangen. Diese Katalysatoren basieren meist auf dem Edelmetall Palladium. Atomar fein verteilt auf einer rauen und dadurch großen Oberfläche eines Trägermaterials kann das Palladium effektiv mit dem Abgas reagieren und die Schadstoffe abbauen. Als Trägermaterial diente bislang in der Regel Aluminiumoxid.

Doch ausgerechnet bei Magermixmotoren funktioniert diese Technik noch nicht optimal: „Herkömmliche Katalysatoren sind im Magermixmotor bei Temperaturen unter 400 Grad noch zu wenig aktiv“, sagt Kröcher. Niedrige Abgas-Temperaturen sind aber von Vorteil, weil sie bedeuten, dass mehr Energie in die eigentliche Arbeit des Motors gesteckt werden konnte; der Wirkungsgrad ist also höher.

Hinzu kommt, dass bisherige Katalysatoren schnell an Leistung einbüßen: Auf Aluminiumoxid sintert Palladium im heißen Abgas recht schnell. Das heißt, dass die winzigen Palladiumpartikel zu größeren verschmelzen wie Schokoflocken in der Sonne. Dadurch verlieren sie an Oberfläche und entsprechend verliert der Katalysator schnell an Aktivität, „im Labor bereits innerhalb weniger Stunden“, so Kröcher.

Genau diese Nachteile konnte seine Forschungsgruppe nun beheben: Sie hat einen Katalysator für Magermixmotoren entwickelt, der stabil läuft und das Abgas auch bei niedrigen Temperaturen effektiv behandelt.

Die Material erhält eine Schwamm-Struktur

Die Forschenden testeten Zeolithe als neue Trägermaterialien. Dabei handelt es sich um hochporöse Substanzen auf Basis von Siliziumdioxid. Unter dem Mikroskop haben sie eine Schwamm-Struktur – durchzogen von lauter winzigen Löchern, die über Kanäle miteinander verbunden sind. Eine solche Struktur bietet enorm viel Oberfläche. Wenn sich darin das Palladium fein verteilt, kann es noch aktiver mit den Abgasen reagieren, der Katalysator ist effektiver – auch bei niedrigeren Temperaturen.

„Auf den Gedanken mit dem Zeolith sind andere ebenfalls gekommen“, berichtet Andrey Petrov, Doktorand am PSI und Erstautor der Studie. Allerdings nur um festzustellen, dass das Palladium trotzdem sintert und auf Dauer an Effektivität verliert: Es wandert durch die Kanäle an die Oberfläche des Zeoliths und verschmilzt dort. Petrov hatte jedoch die entscheidende Idee, dies zu verhindern: Er bearbeitete den Zeolith mit Säuren und Basen, so dass die Poren sich etwas vergrößerten, und gab dann dem Palladium Natrium hinzu.

„In diesen größeren Poren kann sich das Palladium nun sammeln und sie ausfüllen. Wie wir feststellten, zeigt es in dieser immer noch nanometerkleinen Partikelgröße die stärkste Aktivität.“ Gleichzeitig verhindert das Natrium, dass die Partikel wandern. Der Katalysator sintert dadurch fast gar nicht mehr. „In unseren Labortests blieb die erhöhte Aktivität über 90 Stunden erhalten“, bestätigt Oliver Kröcher. „Und wir erreichten die gleichen Umsätze der Abgasreinigung bei Temperaturen, die mindestens 50 Grad unter denen herkömmlicher Katalysatoren lagen.“

Eine Technologie mit Zukunft

Der Schadstoffausstoß von Magermixmotoren lässt sich durch den neuen Katalysator mit Schwamm-Struktur also deutlich verringern. Mit weiterer Entwicklungsarbeit womöglich sogar so weit, dass diese Art Motor auch für den Einbau in normale Autos in Frage kommt. „Die Motoren von Erdgasautos funktionieren zurzeit noch nach einem anderen Prinzip, eben weil bei Magermixmotoren bislang die Abgasnachbehandlung noch zu ineffektiv ist“, so Kröcher. „Doch das könnte sich nun ändern.“ Muss es womöglich demnächst auch. Denn in der Politik wird diskutiert, die Grenzwerte für Schadstoffe in Motorabgasen weiter zu verschärfen. Die am PSI entwickelte neue Methode könnte helfen, diese Grenzwerte einzuhalten. Ein Patent ist bereits beantragt. Erste Industrieunternehmen haben schon Interesse angemeldet. (red/Jan Berndorff)


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