Die nächste Generation von Katalysatoren könnte eine längere Lebensdauer haben und weniger seltene Materialien zum Betrieb benötigen, so eine neue Studie.
Katalysatoren wandeln schädliche Gase aus dem Auspuff eines Autos, einschließlich Kohlenmonoxid und andere Schadstoffe, in Dampf und andere sicherere Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Stickstoff um.
Ein guter Katalysator kann mehr als ein Jahrzehnt halten, aber laut Cheng-Han Li, Hauptautor der Studie, gibt es immer Raum für Verbesserungen. Er sagte, zukünftige katalytische Technologien könnten so konzipiert werden, dass sie Schadstoffe über einen längeren Zeitraum effektiv entfernen.
„Wir wollen eine längere Lebensdauer für Katalysatoren haben. Andernfalls müssen sie ersetzt werden oder bestehen die Emissionstests der Regierung nicht“, sagte Li, der an der Ohio State University in Materialwissenschaft und -technik promoviert.
Die Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Chemie der Materialien.
Je nachdem, wo Sie leben, können die bundesstaatlichen Emissionsnormen variieren. Um das wachsende Smogproblem in Städten in den Vereinigten Staaten zu bekämpfen, verabschiedete der Kongress 1975 ein Gesetz, das besagte, dass alle Fahrzeuge mit Katalysatoren ausgestattet sein mussten.
Obwohl es verschiedene Typen gibt, verwenden moderne Katalysatoren eine Kombination aus drei Edelmetallen: Palladium, Platin und Rhodium. Diese Drei-Wege-Katalysatoren können die Emissionen von Stickoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) reduzieren – zwei Substanzen, die zusammengenommen NOx erzeugen können, eine chemische Verbindung, die sowohl direkte als auch indirekte schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit hat.
Steigende Preise für die drei Edelmetalle – insbesondere Rhodium – sind der Grund, warum Kriminelle überall auf den Diebstahl von Katalysatoren zurückgegriffen haben. Rhodium, das am häufigsten im Flusssand Nord- und Südamerikas vorkommt, gilt als das seltenste Element der Welt und ist wertvoller als Gold und Platin.
„Die Kosten für Rhodium sind in den letzten Jahren aufgrund der steigenden Nachfrage in Verbindung mit einem grundlegenden Angebotsdefizit dramatisch gestiegen“, sagt Li. Das bedeutet, dass die Herstellung von Katalysatoren teuer und der Austausch doppelt so teuer sein kann.
Und da Katalysatoren auf Rhodiumbasis Mangelware sind, ist es unerlässlich, sie so effektiv wie möglich zu nutzen. Da bekannt ist, dass sich die Katalysatoren bei hohen Temperaturen deaktivieren, untersuchten die Forscher, wie sich ihre Leistung im Laufe der Zeit bei hoher Hitze ändert.
Zu diesem Zweck führte Lis Team mehrere Tests an den Konvertern durch, darunter, dass sie Temperaturen von über 1600 Grad Fahrenheit standhalten. Während echte Katalysatoren solche Bedingungen in einem fahrenden Auto selten überschreiten, können sie diese Temperaturen während ihrer Lebensdauer zumindest gelegentlich erfahren, insbesondere wenn die Konverter älter werden.
Die Forscher verwendeten ein Transmissionselektronenmikroskop, um die Mikrostrukturen der Drei-Wege-Katalysatoren auf atomarer Ebene und ihre Beeinflussung durch die Hitze zu untersuchen. „Indem wir die Mikrostruktur beobachten, können wir die Verbindung zwischen hoher Hitze, der tatsächlichen Leistung des Konverters und seiner Mikrostruktur herstellen“, sagte Li.
Li stellte fest, dass Rhodiumkatalysatoren von Oxiden wie Aluminiumoxid und Ceroxid-Zirkonoxid getragen werden, die zur Stabilisierung beitragen.
Bei hoher Hitze mit Sauerstoff löst sich Rhodium im Aluminiumoxid auf und zerfällt in die stabile Lösung Rhodiumaluminat. Diese Lösung ist jedoch chemisch inaktiv, was bedeutet, dass sie keine schädlichen Schadstoffe und Gase wegschrubben kann, wodurch das Gerät effektiv unbrauchbar wird.
Aber es ist reversibel.
Wenn es Wasserstoff ausgesetzt wird, wird ein Teil des Rhodiums wieder aktiv, aber nicht annähernd genug, um den Katalysator auf seine frühere Effizienz zurückzubringen.
Die Ergebnisse der Studie kamen zu dem Schluss, dass die Etablierung eines neuen Designs, das die Bildung von Rhodiumaluminat verhindert, langfristig dazu beitragen könnte, das Beste aus diesen Geräten herauszuholen. Dieses gründliche Verständnis der Struktur des Geräts könnte auch dazu beitragen, bessere Designs für zukünftige Katalysatoren zu entwickeln.
„Unsere Ergebnisse geben den Autoherstellern eine konkrete Richtung vor, der sie folgen müssen, um den Einsatz von Katalysatoren auf Rhodiumbasis zu optimieren“, sagte Li.
Co-Autoren waren Jason Wu, Andrew Bean Getsoian und Giovanni Cavataio von der Ford Motor Company sowie Joerg Jinschek, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik an der Ohio State.
Cheng-Han Li et al., Direkte Beobachtung von Rhodiumaluminat (RhAlOx) und seine Rolle bei der Deaktivierung und Regeneration von Rh/Al2O3 unter Drei-Wege-Katalysatorbedingungen, Chemie der Materialien (2022). DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c03513