Het verminderen van de uitstoot van vervuilende stoffen door voertuigen en het voldoen aan strengere uitlaatgasnormen zijn grote uitdagingen bij de ontwikkeling van katalysatoren. Een nieuw concept zou kunnen helpen om uitlaatgassen na koude start van motoren en in stadsverkeer efficiënt te behandelen en het verbruik van dure edelmetalen te verminderen. Het is gebaseerd op de interactie tussen platina en de ceriumoxidedrager om de katalytische activiteit te regelen door kortetermijnveranderingen van de bedrijfsmodus van de motor, onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Dankzij de goede katalytische eigenschappen, platina wordt vaak toegepast in katalysatoren van voertuigen. momenteel, ongeveer 60% van de Europese platinahandel wordt hiervoor gebruikt. Met behulp van een dieseloxidatiekatalysator (DOC), waarin naverbranding van koolwaterstoffen en koolmonoxide plaatsvindt, de wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en hun partners ontdekten dat de deeltjesgrootte en oxidatietoestand van de platinacomponent tijdens bedrijf specifiek kunnen worden gewijzigd. Interacties tussen het dragermateriaal en het toegepaste edelmetaal spelen een belangrijke rol. De resultaten weerspiegelen een zeer dynamisch katalysatoroppervlak dat extreem gevoelig reageert op externe invloeden, zoals uitlaatgassamenstelling. De onderzoekers presenteren manieren om deze dynamiek te gebruiken om katalysatoren te verbeteren.

"Het bijzondere is dat we de grootte en toestand van de nanodeeltjes van edelmetaal op het oppervlak van de katalysator kunnen aanpassen. De methoden stellen ons in staat om dit te doen onder relevante en zelfs reële bedrijfsomstandigheden en, Vandaar, om de katalytische activiteit van materialen direct aan te passen, " zegt Andreas Gänzler, wetenschapper van KIT's Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) en hoofdauteur van de studie "Tuning the Structure of Platinum Particles on Ceria In Situ for Enhancing the Catalytic Performance of Exhaust Gas Catalysts", gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Angewandte Chemie (Toegepaste chemie). In hun studie hebben de onderzoekers toonden aan hoe gevoelig de staat van platina reageert op de compositie, d.w.z. de verhouding van koolmonoxide en zuurstof, en de temperatuur van het uitlaatgas. De werking van de motor is al specifiek aangepast in uitlaatgasnabehandelingssystemen die tegenwoordig worden gebruikt. Op deze manier, uitlaatgassamenstelling wordt aangepast voor de regeneratie van roetfilters of NOx-opslagkatalysatoren. Uit de studie blijkt dat het ook mogelijk is om de actieve platinacomponent optimaal in te stellen om de activiteit van de katalysator te verhogen en het verbruik van edelmetaal te verminderen.

In het kader van het Duits-Franse samenwerkingsproject complexe methoden werden gebruikt om de materialen onder bedrijfsomstandigheden te observeren. Door middel van omgevingstransmissie-elektronenmicroscopie (ETEM), structurele modificaties op atomair niveau van het materiaal werden gevisualiseerd. Röntgenabsorptiespectroscopie bij de SOLEIL synchrotron in het Franse St. Aubin en bij de KARA Karlsruhe Research Accelerator van KIT werd toegepast om de processen onder realistische uitlaatgascondities te bestuderen. "Op basis van deze waarnemingen van katalysatormaterialen onder reële omstandigheden, bevindingen kunnen veel sneller worden overgedragen naar toepassing, " merkt Gänzler op.

Met behulp van de verkregen bevindingen, katalytische activiteit van dieseloxidatiekatalysatoren kan worden verbeterd bij lage temperatuur. Uit hun observaties, de wetenschappers hebben een veelbelovend basisconcept afgeleid om de grootte en structuur van platinadeeltjes specifiek aan te passen als een functie van de katalytische activiteit die tijdens bedrijf vereist is. Het concept kan onder meer worden gebruikt om de katalytische prestaties aanzienlijk te verbeteren na de koude start van verbrandingsmotoren en bij het rijden in stadsverkeer. "De structuur van de nanodeeltjes van edelmetaal kan worden beïnvloed door kortetermijnaanpassingen van de bedrijfsmodus van de motor, bijvoorbeeld, ’ zegt Ganzler.

Op basis van de bevindingen, huidige en toekomstige nieuwe typen katalysatoren kunnen worden verbeterd en hun economische efficiëntie kan worden verhoogd, omdat de edelmetaalconcentratie tot 50% kan worden verminderd. De studie die door professor Jan-Dierk Grunwaldt van ITCP wordt beschouwd als "een van de grote hoogtepunten in het onderzoek naar katalysatoren" kan op grote belangstelling rekenen van experts. Het werd uitgevoerd in het kader van het project "ORCA – Oxidation/Reduction Catalytic Converter for Diesel Vehicles of the Next Generation" dat deel uitmaakt van de Duits-Franse onderzoekssamenwerking van Deufrako. Het project wordt gefinancierd met EUR 960, 000 door het Bondsministerie van Economische Zaken en Energie. Behalve KIT, het Institut de Recherches sur la Catalyze et l'Environnement de Lyon (IRCELYON), TU Darmstadt, het Solvay-bedrijf, en Umicore AG &Co. KG, een materiaaltechnologie- en recyclingbedrijf in Hanau, deelnemen aan het samenwerkingsproject.