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Einblick in die Ultrahochvakuumkammer (Katalysatorprobe in der Mitte) © TU Wien
Einblick in die Ultrahochvakuumkammer (Katalysatorprobe in der Mitte) © TU Wien

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Wie der Kat eine Kohlenmonoxid-Vergiftung bekommt

14.05.2018

Fahrzeug-Katalysatoren können eine Kohlenmonoxid-Vergiftung bekommen. Ob und wann das der Fall ist, hängt primär von der Konzentration des Kohlenmonoxids (CO) im Abgas ab. Im Fachjournal "Nature Materials" berichten nun aber Chemiker der Technischen Universität (TU) Wien, dass es auch entscheidend ist, auf welcher Unterlage das Katalysatoren-Material aufgebracht ist.

In einem Fahrzeug-Kat wird mit Hilfe von Palladium oder Platin Kohlenmonoxid in Kohlendioxid (CO2) umgewandelt. Die beiden Katalysator-Metalle werden dabei in Pulverform mit einer Korngröße von bis zu 200 Mikrometer auf ein Trägermaterial aufgebracht.

Ist die Oberfläche der Palladium- bzw. Platin-Körnchen mit Sauerstoffatomen bedeckt, können die CO-Moleküle mit dem Sauerstoff reagieren, es entsteht CO2. Dabei bleiben Lücken in der Sauerstoffschicht, die möglichst rasch von anderen Sauerstoff-Atomen nachbesetzt werden sollen. Andernfalls können CO-Moleküle die Lücken besetzen. Geschieht dies in großem Ausmaß, wird kein CO2 mehr gebildet - der Kat erleidet eine Kohlenmonoxid-Vergiftung.

Unterlage entscheidend

Forscher des Instituts für Materialchemie der TU Wien zeigten nun in Experimenten, dass es auch entscheidend ist, auf welcher Unterlage die Palladium-Körnchen aufgebracht sind. "Sitzen sie auf einer Oberfläche aus Zirkoniumoxid oder Magnesiumoxid, kommt es erst bei viel höheren Kohlenmonoxid-Konzentrationen zur Katalysator-Vergiftung", erklärte Yuri Suchorski in einer Aussendung der TU.

Die Forscher fragten sich, warum die nur wenige Zehntel Nanometer dicke Kontaktfläche zwischen Palladium und Untergrund das Verhalten von Körnern beeinflussen sollte, die hunderttausend Mal größer sind. Mit Hilfe eines Photoemissionselektronenmikroskops, das den räumlichen Verlauf einer katalytischen Reaktion in Echtzeit abbilden kann, kamen sie auf die Lösung.

Vergiftung beginnt am Rand

Es zeigte sich, dass die Kohlenmonoxid-Vergiftung immer am Rand eines Körnchens beginnt - genau dort, wo es auf dem Träger aufliegt. Von dort aus breitet sich Vergiftung wie eine Tsunami-Welle über das ganze Körnchen aus.

Dafür gibt es mehrere Gründe: Einerseits haben die Sauerstoffatome an der Kontaktfläche weniger Sauerstoffatome als Nachbarn. Das macht es CO-Molekülen leichter, sich in einer Lücke festzusetzen als mitten zwischen Sauerstoffatomen. Zudem kommt der Sauerstoff stets als O2-Molekül daher und es müssen immer zwei nebeneinanderliegende freie Plätze vorhanden sein, damit das Molekül in die Lücke passt.

Die Wissenschafter zeigten zudem, dass genau am Auflage-Rand die Bindung zwischen den Metallatomen des Körnchens und der schützenden Sauerstoffschicht verstärkt ist. Dieser kleine Effekt hat aber große strategische Bedeutung. Die Verstärkung des Rands als Schwachstelle des Metallkörnchens schützt das ganze Katalysator-Korn vor der Kohlenmonoxid-Vergiftung. Die Forscher erhoffen sich von den neuen Kenntnissen Möglichkeiten, Katalysatoren zu verbessern.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41563-018-0080-y

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