Forscher entwickeln Diesel-Katalysatoren ohne Platin

Speicherkatalysatoren, die Stickoxide im Diesel-Abgas reduzieren, sind teuer, weil sie viel Platin benötigen. Forscher von General Motors um Chang Hwan Kim haben nun einen Stickoxid-Katalysator entwickelt, der völlig ohne Platin auskommt.

Dieselmotoren stoßen zwar relativ wenig Kohlendioxid aus, doch dafür emittieren sie mehr Stickoxide (NO_x) als Ottomotoren. Die Abgasnorm Euro 6, die 2014 in Kraft tritt, senkt den Grenzwert für NO_x nun aber von 180 auf 80 Milligramm pro Kilometer. Um auf solche Werte zu kommen, sind aufwendige Abgasnachbehandlungssysteme nötig, die pro Auto Mehrkosten von 1000 bis 5000 Dollar verursachen. Einer der Kostentreiber ist dabei das Edelmetall Platin, das für Diesel-Katalysatoren in größeren Mengen benötigt wird als für die Drei-Wege-Kats bei Benzinern.

Um die Stickoxide zu reduzieren sind bislang im wesentlichen zwei Verfahren gebräuchlich: Bei der "Selective Catalytic Reduction“ (SCR) wird dazu Harnstoff in den Abgastrakt gesprüht. Das hat aber den Nachteil, dass der Harnstoff in einem separaten Tank mitgeführt und regelmäßig aufgefüllt werden muss. Das andere Verfahren nennt sich LNT ("Lean NO_x Trap", auch als "Speicherkatalysator" bekannt) und kommt ohne einen Zusatzstoff aus – dafür benötigt es aber relativ viel Platin.

Einen Ersatz für das teure Edelmetall zu finden ist schwierig, weil es gleich mehrere Aufgaben erfüllen muss. Das LNT-Verfahren arbeitet nämlich nicht kontinuierlich, sondern in zwei Phasen: Während der normalen Verbrennung gelangen Sauerstoff, Stickstoff-Oxid (NO) und Stickstoff-Dioxid (NO₂) in den Speicherkat. Das NO wird mit dem Sauerstoff unter Beteiligung des Platin zu NO₂ oxidiert, das wiederum an der Oberfläche des Speichers absorbiert wird. Ist der Speicher gesättigt, schaltet der Motor um auf eine fettere Verbrennung – statt Sauerstoff dringen nun unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Speicher. Das Platin oxidiert sie zu Kohlendioxid und Wasser. Der dazu nötige Sauerstoff stammt aus dem NO₂, das auf diese Weise zu harmlosem Stickstoff reduziert wird.

Schon lange galten sogenannte Lanthan-Perowskite wie LaCoO₃ und LaMnO₃ als potenzielle Alternativen zu Platin, weil sie ebenfalls katalytisch aktiv sind, sich aber preiswerter herstellen lassen und hitzebeständiger sind als Edelmetall-Kats. Doch die Effizienz dieser Minerale blieb bislang hinter den metallischen Katalysatoren zurück. Deshalb griffen Kim und seine Kollegen zu einem Trick: Sie ersetzen einen Teil des Lanthans durch das Element Strontium, wodurch sich die Reaktionsoberfläche des Stoffs vergrößerte. Besonders LaCoO₃ schlug sich im Team mit Strontium sehr gut: Nach Angaben der Forscher war seine Effizienz bei der Oxidation von NO zu NO₂ "signifikant höher als bei kommerziellen Platin-basierten Katalysatoren", wie sie in der aktuellen Ausgabe der Science schreiben (Vol. 327, S. 1584ff.). LaMnO₃ hingegen erwies sich als nicht ganz so effizient, dafür aber als deutlich haltbarer.

Die Umwandlung von NO zu NO₂ ist aber nur der erste Schritt zur Stickoxid-Entsorgung. Bei den nächsten Phase, der Oxidation von Kohlenwasserstoffen, sind die Perowskite klassischen Platin-Katalysatoren unterlegen. Hier aber kann aber das Übergangsmetall Palladium als Katalysator in die Bresche springen. Es ist zwar ebenfalls selten, aber nach Angaben der Forscher immerhin 70 Prozent preiswerter als Platin. Mit dem Palladium lässt sich auch eine zweite Schwäche der Perowskite beheben: Sie sind sehr empfindlich gegenüber Schwefeloxiden, wie sie bei der Verbrennung des im Sprit enthaltenen Schwefels entstehen. Mit einer Palladium-Beimischung aber steigt ihre Schwefel-Toleranz.

"Der Ersatz-Katalysator kann die Kosten für Diesel-Nachbehandlung dramatisch reduzieren“, schließen die Forscher. Die Relevanz der Entdeckung reicht über reine Dieselfahrzeuge hinaus: Magermix-Benzinmotoren, die mit einem Sauerstoff-Überschuss arbeiten, gehen zwar effizient mit Treibstoff um, haben aber ein ähnliches Stickoxid-Problem wie Diesel. (wst)