Anorganische Chemie ist eine frei verfügbare Einführung in die anorganische Chemie. Details zum Buch finden Sie im Editorial....


Abgaskatalysator

Autor: Hans Lohninger

Als man 1984 in Deutschland den Abgaskatalysator für Benzin-betriebene Fahrzeuge einführte, war die Aufregung groß. Die (Schein-)Argumente gegen den Katalysator reichten von angeblichen Motorschäden bis zur Brandgefahr. Einzig die Tatsache, dass der (damals ungeregelte) Katalysator die Schadstoffe aus dem Auspuff um 50% reduzieren konnte, wollte niemand so richtig zur Kenntnis nehmen. Inzwischen ist es wohl genau umgekehrt. Jeder der schon mal hinter einem Oldtimer längere Zeit herfahren musste, riecht im wahrsten Sinnes des Wortes die Argumente für den Katalysator, der in seiner geregelten Form rund 99% der Schadstoffe entfernt. Weltweit werden zur Zeit (2012) jährlich rund 70 Millionen Autoabgas-Katalysatoren produziert.

Ein wichtiger Punkt bei der Anwendung des Katalysators ist die Regelung der Treibstoffzusammensetzung (Luft-Benzin-Verhältnis). Ist das Treibstoff-Luft-Gemisch zu fett (Überschuss an Benzin), so werden Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe schlecht abgebaut, ist es zu mager, werden die Stickoxide nicht mehr ausreichend reduziert. Es gibt also einen kleinen Bereich der Treibstoffzusammensetzung, in dem der Abgaskatalysator optimal funktioniert:

Zur Regelung dieser Zusammensetzung misst man die Sauerstoffkonzentration im Abgas mittels einer Lambda-Sonde und stellt das Treibstoff-Luftgemisch (ca. 14.7 mal mehr Luft als Treibstoff) so ein, dass eine möglichst vollständige Verbrennung erfolgt.

Woraus besteht nun ein solcher Abgaskatalysator und wie ist seine Wirkung?

Der Katalysator als Bauelement ist im Wesentlichen ein rohrförmiger Wabenkörper aus Keramik oder Metall, durch den die Auspuffgase geleitet werden. Die unzähligen Kanäle des Wabenkörpers sind mit Aluminiumoxid und Ceroxid beschichtet, um einerseits eine hohe Oberfläche zu erreichen und andererseits für vorübergehenden Bedarf zusätzlichen Sauerstoff zur Verfügung zu haben. Die eigentliche katalytische Reaktion erfolgt an sehr fein verteilten Edelmetallpartikeln (Platin, Rhodium und/oder Palladium), die in das Aluminiumoxid eingelagert sind. Auf das Volumen bezogen enthält ein Katalysator typischerweise rund 1.7 g/L Edelmetalle.

Ein moderner geregelter Katalysator (Drei-Wege-Katalysator oder G-Kat) reduziert gleichzeitig den Gehalt an Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden (NOx). CO und die Kohlenwasserstoffe werden oxidiert, die Stickoxide werden reduziert:

2 CO + O2 2 CO2
4 CmHn + (4m+n) O2 4m CO2 + 2n H2O
2 NO + 2 CO N2 + 2 CO2

Ein besonderes Problem stellt der starke Rückgang der NOx-Konversionsrate im mageren Bereich dar, da man einerseits - um den Benzinverbrauch zu reduzieren - den Motor möglichst im mageren Bereich betreiben möchte, aber andererseits der dadurch bedingte starke Anstieg von NOx nicht mehr akzeptabel ist. Eine Lösung dafür besteht in der Zwischenspeicherung der Stickoxide im Katalysator. Der Motor wird dabei für ca. eine Minute im (gewünschten) mageren Bereich betrieben, die entstehenden Stickoxide werden in dieser Zeit durch im Katalysator eingelagertes Bariumcarbonat als Bariumnitrat gebunden. Danach wird der Motor für wenige Sekunden im fetten Gemischbereich betrieben. Das dabei entstehende CO-H2-CmHn-Gemisch dient zur Reduktion des Nitrats zu Stickstoff, der an die Umwelt abgegeben wird. Damit wird die Speicherfähigkeit für NOx regeneriert und der Motor kann wieder für eine Minute im Magerbetrieb laufen.

Für größere Dieselmotoren, wie sie in Lastkraftwagen eingesetzt werden, ist auch die Entwicklung eines Katalysators zur selektiven Reduktion der Stickoxide durch Ammoniak im Gang. Um nicht Ammoniak direkt mitführen zu müssen, wird eine wässrige Harnstofflösung (32.5 Gew.-%) in das heiße Auspuffrohr gesprüht in dem sich dann der Harnstoff zu Ammoniak zersetzt.



Last Update: 2013-08-08