Leistungsfähigere Katalysatoren für Gasautos

Fahrzeuge mit Gasantrieb sind im Kommen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Das als Treibstoff verwendete Erdgas hat unter allen Treibstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis den niedrigsten CO₂-Ausstoss pro Energieeinheit, da es aus energiereichem Methan (CH₄) besteht. Wenn es sich dabei auch noch um Synthetisches Erdgas (SNG) aus Biomasse handelt, ist der Vorteil sogar noch grösser, da der enthaltene Kohlenstoff aus erneuerbarer Quelle stammt.

Der Markt für Gasautos ist jedoch noch klein, so dass es sich für die Fahrzeughersteller kaum lohnt, eigene, fein abgestimmte Abgaskatalysatoren für Gasmotoren zu entwickeln. Stattdessen passen sie lieber die Katalysatoren an, die bereits für Benzinmotoren auf dem Markt sind. Das Problem dabei: Die Abgase aus Gasmotoren enthalten kleine Mengen Methan das möglichst nicht in die Atmosphäre gelangen sollte, da es stark zum Treibhauseffekt beiträgt.

Während die Empa daran arbeitet, Gasmotoren und -Katalysatoren technisch zu optimieren, spezialisiert sich das PSI auf ausgeklügelte Untersuchungsmethoden, mit denen man die Vorgänge im Katalysator sehr genau beobachten kann. Mit den Ergebnissen lassen sich verbesserte Katalysatorzusammensetzungen sowie Ideen für einen effizienteren Betrieb entwickeln.

Wirksame Beschichtung

Im Fahrzeugkatalysator wird das Abgas durch eine Vielzahl paralleler Kanäle aus Keramik geleitet. Deren Oberfläche ist mit Pulver, dem eigentlichen Katalysator, beschichtet. Meist besteht er aus Edelmetallpartikeln, häufig Palladium. Die Schadstoffe im Abgas reagieren mit der Beschichtung und werden dabei in Wasser, Stickstoff und CO₂ umgewandelt. Allerdings lassen sich die Methan-Moleküle mit diesen üblichen Katalysatoren nicht so einfach zersetzen, da andere Abgasbestandteile einfacher an den Katalysator binden als Methan und so die nötige Katalysator-Oberfläche besetzen.

Davide Ferri, Senior Scientist in der Forschungsgruppe Katalyse für Energieprozesse des Paul Scherrer Instituts erläutert: Um das auszugleichen, bringt die Industrie bei Katalysatoren für Gasmotoren das Palladium einfach etwas dicker auf und baut darauf, dass das genügt, um alles zu zersetzen. Unser Ziel aber ist es, die Beschichtung zu optimieren, um die Effizienz zu erhöhen und teures Material einzusparen.

Dazu muss die Forschungsgruppe das Verhalten der Edelmetallpartikel studieren und sehen, wie sie mit den Schadstoffen reagieren. Zudem versucht sie zu verfolgen, ob die Partikel mit der Zeit und unter verschiedenen Bedingungen zusammenwachsen, so dass die Wirksamkeit des Katalysators mit der Zeit nachlässt.

Ferri will wissen, was solche Alterungsprozesse auslöst, wie sie ablaufen und wie sie sich hinauszögern lassen. Wir können solche Prozesse im Detail nachverfolgen, da wir durch die geschickte Kombination mehrerer Messmethoden verfolgen können, wie die Atome oder Moleküle von Palladium und Schadstoffen miteinander reagieren. Unsere Spezialität ist es, den Katalysator tatsächlich im Labor unter realistischen Bedingungen wie Schwankungen der Temperatur und des Sauerstoffgehalts zu messen, berichtet er. Die Forscher benutzen für jede Messmethode exakt darauf angepasste Strahlung, die jeweils nur bestimmte Materialien durchdringen kann.

Normalerweise braucht es für jede Messung eine andere spezialisierte Messkammer, in der die Bedingungen simuliert werden können. Dort muss der Katalysator jeweils zeitaufwendig montiert werden. Am PSI hat man eine bessere Lösung entwickelt: Wir haben jetzt eine Messkammer, bei der man lediglich das Fenster passend zur Art der Strahlung auswechseln muss. So erfolgen mehrere Messungen nicht nur zeitsparend, sondern auch unter absolut identischen Bedingungen in ein- und derselben Kammer.

Jetzt können sich die Forschenden noch effizienter nach besseren Katalysatoren fahnden. Sie werden sich erst zufriedengeben, wenn es einen Katalysator gibt, der auch das das letzte Methan-Molekül umwandelt.

Text: Alexandra von Ascheraden