Skip to main content
main-content

27.03.2018 | Abgasnachbehandlung | Nachricht | Onlineartikel

Kantige Nanopartikel machen Katalysatoren wirksamer

Autor:
Christiane Köllner

Ein Abgas-Katalysator arbeitet umso effizienter, je mehr Kanten die Nanopartikel im Verhältnis zu ihrer Oberfläche haben. Das haben jetzt Forscher des Desy-Nanolabs herausgefunden.

Abgas-Katalysatoren arbeiten wirksamer mit Nanopartikeln einer kantigeren Form. Das zeigt eine Untersuchung an Desys Röntgenlichtquelle Petra III. Forscher des Desy-Nanolabs haben dafür die Umwandlung von giftigem Kohlenmonoxid zu ungiftigem Kohlendioxid an Edelmetall-Nanopartikeln live beobachtet, die auch in einem Auto-Katalysator enthalten sind. Die Wissenschaftler stellen ihre Erkenntnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts Physical Review Letters vor. Möglichst viele Kanten zwischen den mit einem Nano-Oxid bedeckten Partikelseiten (Facetten) sollen demnach die Effizienz der Katalyse-Reaktion steigern.

In Katalysatoren werden für gewöhnlich Nanopartikel verwendet, da sie bei gleicher Stoffmenge eine erheblich größere Oberfläche bieten, an der die katalytische Reaktion ablaufen kann. Für die hier vorgestellte Studie züchteten die Forscher im Desy-Nanolab Platin-Rhodium-Nanopartikel so auf einem Substrat, dass nahezu alle Partikel dieselbe Ausrichtung und Form abgeschnittener Oktaeder (Doppelpyramiden) hatten. Die katalytischen Eigenschaften dieser Probe untersuchten die Wissenschaftler unter den typischen Arbeitsbedingungen eines Auto-Katalysators und bei verschiedenen Gaszusammensetzungen in einer Reaktionskammer im hellen Röntgenlicht von Petra III an der Messstation P09.

"Abgastest" an den Nanopartikeln

Die Effizienz von Katalysatormaterialien lässt sich laut den Forschern mit einem sogenannten Massenspektrometer messen, das den Anteil bestimmter Moleküle im Abgas anzeigt, also in diesem Fall das Verhältnis von Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Kohlendioxid. "Wir machen quasi einen Abgastest an den Nanopartikeln", sagt die Hauptautorin der Studie, Uta Hejral, die inzwischen an der Universität Lund in Schweden arbeitet. Dank der parallelen Ausrichtung der Nanopartikel konnten die Forscher in dieser Untersuchung auch sehen, an welcher Stelle auf der Oberfläche der Nanopartikel die Reaktion besonders effizient ablief. "Hier können wir die Reaktion wirklich auf atomarer Skala verfolgen", betont Hejral.

Normalerweise sitzen die Edelmetall-Nanopartikel in einem Auto-Katalysator auf winzigen Substratkrümeln, die zusammenkleben und komplexe Strukturen bilden. "Das ist schwer im Röntgenlicht zu untersuchen, da die Edelmetalle nur wenige Gewichtsprozent ausmachen und vor allem die Nanopartikel ganz unterschiedlich orientiert sind", erläutert Andreas Stierle, der leitender Wissenschaftler bei Desy und Professor für Nanowissenschaften an der Universität Hamburg ist. "Im Röntgenlicht erzeugt jedes Partikel ein Streubild, und diese Streubilder überlappen sich in unüberschaubaren Mustern. Durch die parallele Ausrichtung sind jedoch auch die Streubilder aller Nanopartikel gleich ausgerichtet und verstärken sich. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Facetten der Nanopartikel, also ihre unterschiedlichen Oberflächen, identifizieren und gezielt beobachten."

Direkter Weg zu wirksameren Katalysatoren

Die Untersuchung zeige, so die Wissenschaftler, dass die Reaktivität der Nanopartikel bei einem bestimmten Wert der Sauerstoffkonzentration stark ansteige. "Das geschieht, wenn gerade genug Sauerstoff verfügbar ist, um jedes Kohlenmonoxid-Molekül zu Kohlendioxid zu oxidieren", sagt Stierle. Oberhalb dieser Konzentration sinke die Reaktivität langsam wieder, weil sich auf den Oberflächen der Partikel durch den Sauerstoff immer größere Oxidinseln bilden und die Reaktion behindern. Die Röntgenuntersuchung zeige die atomare Oberflächenstruktur der Nanopartikel mit bisher unerreichter Auflösung unter Reaktionsbedingungen. Dabei sei zu sehen, dass sich die verschiedenen Kristallflächen der Nanopartikel ab einer bestimmten Sauerstoffkonzentration mit einem Sauerstoff-Rhodium-Sauerstoff-Sandwich bedecken, bis zum Schluss die Metalloberfläche quasi ganz unter diesem Nano-Oxid verschwunden ist.

"Das Oberflächenoxid bildet schließlich eine geschlossene Schicht auf den Nanopartikeln", berichtet Hejral. "Das ist zunächst ungünstig für die gewünschte Reaktion, weil sich dann nur noch schwer Kohlenmonoxidmoleküle anlagern können. An den Kanten zwischen den Facetten der Nanopartikel kann der Sauerstoff aber keine geschlossene Schicht bilden, was zu einer erhöhten Reaktivität der Kanten führt." Diese Erkenntnis liefere einen direkten Weg zu wirksameren Katalysatoren: "Es ist zu erwarten, dass der Katalysator umso effizienter wird, je mehr Kanten die Nanopartikel im Verhältnis zu ihrer Oberfläche haben", sagt Stierle. Diese Erkenntnis lasse sich voraussichtlich auch auf viele andere katalytische Reaktionen übertragen. Wie stark sich dadurch die Effizienz steigern lässt, müssten weitere Untersuchungen zeigen.

Weiterführende Themen

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

Das könnte Sie auch interessieren

Premium Partner

Neuer InhaltdSpaceFEVValeo LogoTE Connectivity Corporation

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Zur B2B-Firmensuche

Whitepaper

- ANZEIGE -

INDUSTRIE 4.0

Der Hype um Industrie 4.0 hat sich gelegt – nun geht es an die Umsetzung. Das Whitepaper von Protolabs zeigt Unternehmen und Führungskräften, wie sie die 4. Industrielle Revolution erfolgreich meistern. Es liegt an den Herstellern, die besten Möglichkeiten und effizientesten Prozesse bereitzustellen, die Unternehmen für die Herstellung von Produkten nutzen können. Lesen Sie mehr zu: Verbesserten Strukturen von Herstellern und Fabriken | Konvergenz zwischen Soft- und Hardwareautomatisierung | Auswirkungen auf die Neuaufstellung von Unternehmen | verkürzten Produkteinführungszeiten.
Jetzt gratis downloaden!

Sonderveröffentlichung

- ANZEIGE -

AVL ADAS Validierung: Vielfalt autonomer Fahrszenarien absichern

AVL bietet wegweisende Lösungen für die zeiteffiziente Validierung der zahllosen Szenarien von Level 3 & 4 Funktionen durch die Kombination virtueller und realer Tests plus automatisierter Analyse Tools. Damit kann die Entwicklungszeit für AD-Systeme drastisch gesenkt werden.  Mehr dazu erfahren Sie hier!

- ANZEIGE -

INNOVATIVE LÖSUNGEN FÜR DIE E-DRIVE VALIDIERUNG

Das optimale E-Drive System sollte sowohl klein und leicht als auch kosteneffizient sein. Die Lösung sind flexible Testsysteme, die die Entwicklung von unterschiedlichsten E-Drive Systemen unterstützen.

Mehr dazu erfahren Sie hier!

Bildnachweise