Forschende des Paul-Scherrer-Instituts PSI in Villigen haben einen neuen Katalysator für die Reinigung von Abgasen aus Erdgasmotoren entwickelt. Das teilt das PSI in einer Mitteilung mit. Im Unterschied zu bisherigen Katalysatoren ist er auch bei niedrigen Temperaturen sehr aktiv und bleibt es über lange Zeit. So lässt sich Erdgas sauberer und klimaschonender verbrennen. Der Trick liegt im Trägermaterial des Katalysators, dessen Struktur an einen Schwamm erinnert. Über ihre Entwicklung berichten die Forschenden in der neusten Ausgabe des Fachjournals «Nature Communications».

Erdgasmotoren gelten als Brückentechnologie im Verkehr, sollen Automotoren auf Erdölbasis, die etwa ein Drittel mehr Kohlendioxid ausstossen, ersetzen, bis Elektroautos und die dazugehörige Infrastruktur ausgereift sind. Doch in der Praxis gibt es noch ein Problem: die Abgase. Die beste Option zur Verbrennung von Erdgas ist eigentlich der sogenannte Magermixmotor. Er mischt dem Gas in der Brennkammer viel Luft bei, denn das mindert die Menge an Treibstoff, die man zum Betrieb braucht.

PSI-Katalysator läuft stabil

Magermixmotoren kommen bislang vor allem in Gaskraftwerken zum Einsatz, auch in Schiffen und manchen grossen Lastwagen. Jedoch noch nicht in Autos. Wie das PSI schreibt, haben sie den Nachteil, dass sie den Treibstoff nicht so gründlich verbrennen wie Erdgasmotoren mit weniger Luftbeimischung: «Beim Verbrennen von Erd- oder Biogas bleiben recht grosse Mengen seines Hauptbestandteils Methan übrig. Zudem entsteht auch toxisches Formaldehyd», sagt Oliver Kröcher, Leiter des Labors für Bioenergie und Katalyse am PSI.

Methan jedoch ist ein hochpotentes Treibhausgas, seinen Ausstoss sollte man vermeiden – und den der anderen Schadstoffe ebenfalls. Dazu werden Katalysatoren eingebaut, die meist auf dem Edelmetall Palladium basieren. Atomar fein verteilt auf einer rauen und dadurch grossen Oberfläche eines Trägermaterials kann das Palladium effektiv mit dem Abgas reagieren und die Schadstoffe abbauen. Als Trägermaterial diente bislang in der Regel Aluminiumoxid. Doch ausgerechnet bei Magermixmotoren funktioniert diese Technik noch nicht optimal: «Herkömmliche Katalysatoren sind im Magermixmotor bei Temperaturen unter 400 Grad noch zu wenig aktiv», sagt Kröcher.

Genau diese Nachteile konnte seine Forschungsgruppe aber nun beheben: Sie hat einen Katalysator für Magermixmotoren entwickelt, der stabil läuft und das Abgas auch bei niedrigen Temperaturen effektiv behandelt. Die Forschenden testeten Zeolithe als neue Trägermaterialien, teilt das PSI weiter mit. Dabei handelt es sich um hochporöse Substanzen auf Basis von Siliziumdioxid. Unter dem Mikroskop sehen sie aus wie ein Schwamm: durchzogen von lauter winzigen Löchern, die über Kanäle miteinander verbunden sind. Wenn sich darin das Palladium fein verteilt, kann es noch aktiver mit den Abgasen reagieren, der Katalysator ist effektiver – auch bei niedrigeren Temperaturen.

«Auf den Gedanken mit dem Zeolith sind andere ebenfalls gekommen», berichtet Andrey Petrov, Doktorand am PSI und Erstautor der Studie. Allerdings nur um festzustellen, dass das Palladium trotzdem sintert und auf Dauer an Effektivität verliert: Es wandert durch die Kanäle an die Oberfläche des Zeoliths und verschmilzt dort. Petrov hatte jedoch die entscheidende Idee, dies zu verhindern: Er bearbeitete den Zeolith mit Säuren und Basen, sodass die Poren sich etwas vergrösserten, und gab dann dem Palladium Natrium hinzu. «In diesen grösseren Poren kann sich das Palladium nun sammeln und sie ausfüllen. Wie wir feststellten, zeigt es in dieser immer noch nanometerkleinen Partikelgrösse die stärkste Aktivität.» Gleichzeitig verhindert das Natrium, dass die Partikel wandern. Der Katalysator sintert dadurch fast gar nicht mehr. «In unseren Labortests blieb die erhöhte Aktivität über 90 Stunden erhalten», bestätigt Oliver Kröcher. «Und wir erreichten die gleichen Umsätze der Abgasreinigung bei Temperaturen, die mindestens 50 Grad unter denen herkömmlicher Katalysatoren lagen.»

Ausstoss wird deutlich verringert

Der Schadstoffausstoss von Magermixmotoren lässt sich mit dem neuen Katalysator also deutlich verringern, schreibt das PSI. Mit weiterer Entwicklungsarbeit womöglich sogar so weit, dass diese Art Motor auch für den Einbau in normale Autos infrage kommt. «Die Motoren von Erdgasautos funktionieren zurzeit noch nach einem anderen Prinzip, eben weil bei Magermixmotoren bislang die Abgasnachbehandlung noch zu ineffektiv ist», so Kröcher. «Doch das könnte sich nun ändern.»

Muss es womöglich demnächst auch. Denn in der Politik wird diskutiert, die Grenzwerte für Schadstoffe in Motorabgasen weiter zu verschärfen. Die am PSI entwickelte neue Methode könnte helfen, diese Grenzwerte einzuhalten. Ein Patent ist bereits beantragt. Erste Industrieunternehmen haben schon Interesse angemeldet. (AZ)