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Katalysator auch für den Kaltstart

Freiburger Materialforscher analysieren Abbau von Schadstoffen und entwickeln völlig neue Designregeln

Freiburg, 05.12.2005

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 4. Dezember 2005 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 heraus, 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 zwei Jahre intensive Rechenleistung und wertvolle Erkenntnisse für Katalysatorenhersteller der Fahrzeugindustrie.
Es geht um die katalytischen Eigenschaften von Übergangsmetallen, und im Besonderen von Palladium. Das 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 noch weitgehend unverstanden“, erläutert Michael Moseler, Mitarbeiter am Fraunhofer IWM Freiburg und am Materialforschungszentrum der Universität.
Nur einige zehn Nanometer sind die Partikel in den gängigen Kats groß. Die Frage, so Moseler, war zunächst: „Wie und wo reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid, und wie kann man diese Reaktion beschleunigen?“ Diese Frage beantworteten Moseler und seine Kollegen aber nicht experimentell, sondern mit Hilfe des Superrechners im John von Neumann-Institut für Computing in Jülich.
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.
Innerhalb von zwei Jahren haben die Forscher Freiburg und dem finnischen Jyväskylä ein Rechenmodell mit den entscheidenden Parametern entwickelt, und „geduldig auf die häppchenweise Zuteilung von hunderttausenden von Prozessorstunden zu warten“, stöhnt Bernd Huber, Doktorand am Freiburger Materialforschungszentrum und Erstautor der Publikation im Magazin Nature. 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 4. Dezember in der online-Ausgabe und danach in der Januar-Ausgabe 2006 der Zeitschrift „Nature Materials“ vor.


Kontakt:

Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM
Wöhlerstraße 11
79108 Freiburg

Thomas Götz
Tel.: 0761/51 42 – 153
Fax: 0761/51 42 – 110
E-Mail: thomas.goetz@iwm.fraunhofer.de


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