Katalysatormaterial aus dem Laserlabor

Industrierelevanz eindrücklich belegt

06.10.2020 - Deutschland

Mehr Oberfläche heißt bei Katalysatoren oftmals mehr Aktivität. Und kaum etwas bietet mehr Oberfläche als Strukturen aus Nanopartikeln. Wissenschaftler vom Center for Nanointegration (CENIDE) an der UDE haben gezeigt, dass es wirtschaftlich sinnvoll ist, katalytisch hochaktive Partikel per Laser herzustellen. Sie sind nicht nur hochrein, sondern schon bei niedrigen Temperaturen leistungsfähiger als ihre klassisch hergestellten Pendants – das haben Tests bei einem Industriepartner ergeben.

Abgase aus dem Dieselmotor laufen in der Regel durch einen Katalysator, der aus Platin- und Palladiumpartikeln auf einem Aluminiumoxidträger besteht. Die Partikel – kleiner als 10 Nanometer im Durchmesser – werden bisher überwiegend nasschemisch hergestellt, d.h. in einem mehrschrittigen Verfahren, das für jede Zusammensetzung neu optimiert werden muss. Tests mit neuen Materialien sind daher zeit- und kostenaufwendig.

Die „Laserablation“ ermöglicht es hingegen, hochreine Nanopartikel in einem Schritt aus einem Feststoff zu erzeugen. Ein Laser verdampft dabei mit ultrakurzen Pulsen Material von der Oberfläche eines Plättchens, das aus dem gewünschten Rohstoff besteht und in einer Flüssigkeit liegt. Die Fragmente finden sich anschließend zu Nanopartikeln zusammen – und fertig.

Der ursprüngliche Nachteil der Methode: Bisher war die Ausbeute der gewünschten Partikelgröße begrenzt. Aber Dr. Sven Reichenberger aus der Technischen Chemie I und sein Team haben eine Lösung gefunden: „Wir haben den Fokuspunkt des Lasers etwas oberhalb des Platin-Palladium-Plättchens in die Lösung gesetzt.“ Mehr als ein Gramm pro Stunde lässt sich so gezielt in der gewünschten Größe herstellen. Damit haben die Wissenschaftler, die im NanoEnergieTechnikZentrum (NETZ) arbeiten, die entscheidende Grenze überschritten, ab der die Lasermethode durch die geringen laufenden Kosten wirtschaftlicher ist als die nasschemische. Das Fachmagazin „Nanomaterials“ berichtet darüber in seiner aktuellen Ausgabe.

Bessere Performance schon bei niedrigeren Temperaturen

Industriepartner Umicore hat die so entstandenen Partikel unter realistischen Bedingungen getestet: Schon bei niedrigen Temperaturen zeigt der Katalysator eine wesentlich höhere Aktivität als das klassische Produkt. Zudem setzt er Kohlenstoffmonoxid gleich gut, Stickoxide sogar besser in ökologisch unbedenkliche Produkte um.

„Das war unser Meilenstein, um die industrielle Relevanz der Methode zu beweisen“, so Reichenberger. „Jetzt werden wir weitere Materialien testen.“

Originalveröffentlichung

S. Dittrich, S. Kohsakowski, B. Wittek, C. Hengst, B. Gökce, S. Barcikowski, S. Reichenberger; „Increasing the Size-Selectivity in Laser-Based g/h Liquid Flow Synthesis of Pt and PtPd Nanoparticles for CO and NO Oxidation in Industrial Automotive Exhaust Gas Treatment Benchmarking“; Nanomaterials; 2020, 10(8), 1582

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