Nanotechnologiebasierte Katalysatoren für die Automobilindustrie erreichen
Katalysatoren sind heute Schlüsselkomponenten der meisten Fahrzeugabgassysteme und leisten einen Beitrag zur wesentlichen Verminderung von Emissionen. Drei-Wege-Katalysatoren stellen in dieser Hinsicht den neuesten Stand der Technik dar. Üblicherweise bestehen Katalysatoren aus einem Keramiksubstrat, das mit einem Washcoat beschichtet ist, welcher Edelmetall beinhaltet. Es wird oftmals eine Kombination aus Platingruppenmetallen (Platinum Group Metals, PGMs) verwendet, welche unter anderem die häufig verwendeten Metalle Platin, Palladium und Rhodium beinhalten. Die europäische Automobilindustrie verwendet große Mengen an PGMs. Dies sorgt für hohe Kosten und für den Abbau natürlicher Rohstoffe. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NEXT-GEN-CAT (Development of next generation cost efficient automotive catalysts) wurde an kostengünstigen, umweltfreundlichen Alternativen gearbeitet. Der Schwerpunkt lag dabei auf dem Einsatz von Nanopartikeln (Nanoparticles, NP) von Übergangsmetallen wie etwa Kupfer, Nickel, Eisen, um Platingruppenmetalle teilweise oder vollständig zu ersetzen. Die Projektpartner entwickelten mithilfe von aktualisierten Nanotechnologieinstrumenten über die Integration kostengünstiger Übergangsmetalle in unterschiedliche Substrate und fortschrittliche Keramiken effiziente Katalysatoren. Zur Herstellung aktiver, Übergangsmetall-basierter Automobilkatalysatoren wurden unterschiedliche Synthesestrategien beurteilt. Es wurden verschiedene Methoden angewandt, um die entwickelten Methoden und die an der Materialherstellung beteiligten Mechanismen zu identifizieren. Unter Verwendung von Ergebnissen einer Modellierung als Grundlage konnte das NEXT-GEN-CAT-Team die entwickelten Katalysatoren weiter optimieren. Es wurden mehr als 300 Proben zu verschiedenen Materialkategorien aufbereitet und evaluiert und es wurde die katalytische Effizienz der hergestellten Katalysatoren beurteilt. Die Proben wurden anhand ihrer Effizienz, Hochskalierbarkeit und Umweltauswirkungen eingestuft. Das Projektteam wählte daraufhin die beiden vielversprechendsten Materialien für die Prototypenentwicklung aus. Die Forscher vergrößerten den Maßstab der beiden Katalysatoren für Nachbehandlungssysteme und ermittelten die Leistung der Prototypen gemäß EU-Emissionsstandards, um die Nachhaltigkeit der entwickelten Automobilkatalysatoren gewährleisten zu können. Zur Ermittlung der vielversprechendsten Materialien und zur Schaffung nachhaltiger Katalysatoren wurden die Leistung, die Kosten, die Recyclebarkeit und die Umweltgesundheit beurteilt. Über NEXT-GEN-CAT wurde festgestellt, dass die entwickelten Materialien geringere Umweltauswirkungen zeigten. Das teilweise oder vollständige Ersetzen von Platingruppenmetallen durch Übergangsmetall-Nanopartikel in Drei-Wege-Katalysatoren soll zu Kostensenkungen führen, für mehr Nachhaltigkeit sorgen und eine zuverlässige Versorgung von EU-Herstellern mit Rohstoffen sicherstellen.
Schlüsselbegriffe
Katalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren, Platingruppenmetalle, NEXT-GEN-CAT, Automobilkatalysatoren
