Att minska fordonsutsläpp från fordon och att uppfylla strängare avgasstandarder är stora utmaningar när man utvecklar katalysatorer. Ett nytt koncept kan hjälpa till att effektivt behandla avgaser efter kallstart av motorer och i stadstrafik och minska förbrukningen av dyrbar ädelmetall. Den är baserad på samspelet mellan platina och ceriumoxidbäraren för att kontrollera katalytisk aktivitet genom kortsiktiga förändringar av motorns driftläge, forskare rapporterar i tidningen Angewandte Chemie .

Tack vare dess goda katalytiska egenskaper, platina används ofta i katalysatorer av fordon. Nuvarande, cirka 60% av den europeiska platinahandeln används för detta ändamål. Med hjälp av en dieseloxidationskatalysator (DOC), där efterförbränning av kolväten och kolmonoxid sker, forskarna vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och deras partners fann att partikelstorleken och oxidationstillståndet för platinakomponenten under drift kan ändras specifikt. Interaktioner mellan bärarmaterialet och den applicerade ädelmetallen spelar en viktig roll. Resultaten återspeglar en mycket dynamisk katalysatoryta som reagerar extremt känsligt på yttre påverkan, såsom avgassammansättning. Forskarna presenterar sätt att använda denna dynamik för att förbättra katalytiska omvandlare.

"Det speciella är att vi kan justera storleken och tillståndet för ädelmetallnanopartiklarna på katalysatorns yta. Metoderna gör att vi kan göra detta under relevanta och till och med verkliga driftförhållanden och, därav, att direkt justera materialets katalytiska aktivitet, säger Andreas Gänzler, forskare vid KIT's Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) och huvudförfattare till studien "Tuning the Struktur of Platinum Particles on Ceria In Situ for Enhancing the Catalytic Performance of Exhaust Gas Catalysts" publicerad i det senaste numret av tidskriften Angewandte Chemie (Tillämpad kemi). I deras studie, forskarna visade hur känsligt tillståndet för platina reagerar på kompositionen, dvs. förhållandet mellan kolmonoxid och syre, och temperaturen på avgaserna. Motordriften har redan modifierats specifikt i avgasernas efterbehandlingssystem som används idag. På det här sättet, avgassammansättningen justeras för regenerering av partikelfilter eller NOx -lagringskatalysatorer. Studien avslöjar att det också är möjligt att optimalt ställa in den aktiva platinakomponenten för att öka aktiviteten hos katalysatorn och minska förbrukningen av ädelmetall.

Under det tysk-franska samarbetsprojektet komplexa metoder användes för att observera materialen under driftsförhållanden. Med hjälp av miljööverföringselektronmikroskopi (ETEM), strukturella modifieringar på atomens nivå av materialet visualiserades. Röntgenabsorptionsspektroskopi vid SOLEIL synkrotron i franska St. Aubin och vid KARA Karlsruhe Research Accelerator av KIT tillämpades för att studera processerna under realistiska avgaser. "Baserat på dessa observationer av katalysatormaterial under verkliga förhållanden, fynd kan överföras mycket snabbare till ansökan, ”Påpekar Gänzler.

Med hjälp av de erhållna resultaten, katalytisk aktivitet för dieseloxidation katalytiska omvandlare kan förbättras vid låg temperatur. Från deras observationer, forskarna fick ett lovande grundkoncept för att specifikt justera storleken och strukturen hos platinapartiklar som en funktion av den katalytiska aktivitet som krävs under drift. Konceptet kan bland annat användas för att avsevärt förbättra katalytisk prestanda efter förbränningsmotornas kallstart och vid körning i stadstrafik. "Nanopartiklarnas ädelmetallers struktur kan påverkas av kortsiktiga ändringar av motorns driftläge, till exempel, "Säger Gänzler.

Baserat på resultaten nuvarande och framtida nya typer av katalysatorer kan förbättras och deras ekonomiska effektivitet kan ökas, eftersom ädelmetallkoncentrationen kan reduceras med upp till 50%. Studien som anses vara "en av de stora höjdpunkterna i katalysatorforskning" av professor Jan-Dierk Grunwaldt från ITCP möter ett stort intresse av experter. Det genomfördes under projektet "ORCA-Oxidation/Reduction Catalytic Converter for Diesel Vehicles of the Next Generation" som är en del av det tysk-franska forskningssamarbetet Deufrako. Projektet finansieras med 960 euro, 000 av det federala ministeriet för ekonomi och energi. Förutom KIT, Institut de Recherches sur la Catalyze et l'Environnement de Lyon (IRCELYON), TU Darmstadt, företaget Solvay, och Umicore AG &Co. KG, ett materialteknik- och återvinningsföretag i Hanau, delta i samarbetsprojektet.