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Mittwoch, 23.04.2014

Neuer Katalysator macht Erdgas-Verbrennung effektiver

Nanokügelchen könnten Treibhausgas-Ausstoß von Autos und Kraftwerken senken

Ein neuer Katalysator könnte Erdgasautos und Gaskraftwerke effektiver und umweltfreundlicher machen. Denn die mittels Nanotechnologie konstruierte Substanz lässt das Methangas auch bei niedrigen Temperaturen vollständig verbrennen. Das verhindere, dass Reste des extrem wirksamen Treibhausgases in die Atmosphäre gelangten, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachmagazin "Science". Gleichzeitig sei der neue Katalysator auch bei den hohen Temperaturen noch stabil, wie sie beispielsweise in Erdgas-Kraftwerken aufträten. Bei den herkömmlich eingesetzten Materialien sei dies nicht der Fall. Nach Ansicht der Forscher könnte der neue Katalysator dazu beitragen, zukünftig sowohl die Methan-Emissionen zu senken, als auch Gaskraftwerke effektiver zu machen.
Glasflame

Glasflame

"Katalysatoren für eine bessere Methanverbrennung werden dringend gebraucht", schreiben Matteo Cargnello von der Universität von Triest und seine Kollegen. Methan habe in der Atmosphäre einen mehr als 20-fach stärkeren Treibhauseffekt als Kohlendioxid und trage daher auch zum Klimawandel bei. Doch die bisher als Katalysatoren in Kraftwerken und Erdgasautos eingesetzten Palladiumverbindungen hinterlassen bei Temperaturen unter 400 Grad Celsius (°C) größere Rückstände von unverbranntem Methan. Sie arbeiten erst ab 600° bis 700°C effektiv. "Bei Erdgasautos besteht daher ein Großteil der Abgase aus unverbranntem Methan", erklären die Forscher.

Viele Palladium-Katalysatoren halten zudem der großen Hitze beispielsweise in den Gasöfen von Kraftwerken nicht stand. Bei Temperaturen von 850°C und mehr backen die einzelnen, meist pulverförmigen Komponenten fest zusammen. Durch dieses sogenannte Sintern verliere der Katalysator seine aktive Oberfläche und könne seine Funktion nicht mehr ausüben, erklären Cargnello und seine Kollegen. Bei dem neuen, per Nanotechnologie konstruierten Katalysator sei dies nicht der Fall.

Palladium-Teilchen in hohlen Kügelchen verpackt


Der neue Katalysator besteht aus kleinen Palladium-Partikeln, die jeweils einzeln in einer kugeligen, porösen Hülle aus Ceriumdioxid stecken. Diese maßgeschneiderte Verpackung entsteht in Gegenwart bestimmter chemischer Verbindungen von allein. "Eine strategische Kombination von Wechselwirkungen ermöglicht diese Selbstorganisation", berichten die Forscher. Die gefüllten Ceriumdioxid-Kügelchen gaben sie anschließend auf eine Oberfläche aus Aluminiumoxid, wo sich diese - ebenfalls von selbst - in gleichmäßigem Abstand voneinander anordneten. Dadurch entstand ein Katalysator mit großer Oberfläche und nicht verklumpenden Komponenten.

Die Effektivität des neuen Katalysators testeten die Wissenschaftler in einer Brennkammer bei Temperaturen zwischen 250° und 850°C und verglichen es mit zwei verschiedenen herkömmlichen Katalysatoren. Mit dem Kügelchen-Konstrukt sei schon bei 400°C das Methan rückstandlos verbrannt, schreiben Cargnello und seine Kollegen. Das sei 130 bis 300 Grad früher als bei herkömmlichen Katalysatoren. Und auch bei hohen Temperaturen habe das Material keine Anzeichen für abnehmende Leistung gezeigt. Die Verbrennung des Methans sei insgesamt mehr als 30 Mal effektiver erfolgt. Dieses Konstruktionsprinzip biete daher eine große Chance, zukünftig bessere und umweltfreundlichere Katalysatoren für die Methangas-Verbrennung zu entwickeln. (doi:10.1126/science.1222887)

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