Katalysatoren mit Lasern produzieren

Mehr Oberfläche heißt bei Katalysatoren oftmals mehr Aktivität. Und kaum etwas bietet mehr Oberfläche als Strukturen aus Nanopartikeln. Wissenschaftler vom Center for Nano­integration Cenide der Universität Duisburg-Essen haben gezeigt, dass es wirtschaftlich sinnvoll ist, katalytisch hochaktive Partikel per Laser herzustellen. Sie sind nicht nur hochrein, sondern schon bei niedrigen Temperaturen leistungs­fähiger als ihre klassisch herge­stellten Pendants – das haben Tests bei einem Industriepartner ergeben.

Abgase aus dem Dieselmotor laufen in der Regel durch einen Katalysator, der aus Platin- und Palladium­partikeln auf einem Aluminiumoxid­träger besteht. Die Partikel – kleiner als zehn Nanometer im Durchmesser – werden bisher überwiegend nasschemisch hergestellt, also in einem mehr­schrittigen Verfahren, das für jede Zusammensetzung neu optimiert werden muss. Tests mit neuen Materialien sind daher zeit- und kostenaufwendig. Die Laser­ablation ermöglicht es hingegen, hochreine Nanopartikel in einem Schritt aus einem Feststoff zu erzeugen. Ein Laser verdampft dabei mit ultrakurzen Pulsen Material von der Oberfläche eines Plättchens, das aus dem gewünschten Rohstoff besteht und in einer Flüssig­keit liegt. Die Fragmente finden sich anschließend zu Nanopartikeln zusammen.

Der ursprüngliche Nachteil der Methode: Bisher war die Ausbeute der gewünschten Partikel­größe begrenzt. Aber Sven Reichenberger und sein Team haben eine Lösung gefunden: „Wir haben den Fokuspunkt des Lasers etwas oberhalb des Platin-Palladium-Plättchens in die Lösung gesetzt.“ Mehr als ein Gramm pro Stunde lässt sich so gezielt in der gewünschten Größe herstellen. Damit haben die Wissenschaftler die entschei­dende Grenze überschritten, ab der die Lasermethode durch die geringen laufenden Kosten wirtschaftlicher ist als die nasschemische.

Der Industrie­partner Umicore hat die so entstandenen Partikel unter realistischen Bedingungen getestet: Schon bei niedrigen Tempera­turen zeigt der Katalysator eine wesentlich höhere Aktivität als das klassische Produkt. Zudem setzt er Kohlenstoff­monoxid gleich gut, Stickoxide sogar besser in ökologisch unbe­denkliche Produkte um. „Das war unser Meilenstein, um die indus­trielle Relevanz der Methode zu beweisen“, so Reichenberger. „Jetzt werden wir weitere Materialien testen.“

UDE / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Dittrich et al.: Increasing the Size-Selectivity in Laser-Based g/h Liquid Flow Synthesis of Pt and PtPd Nanoparticles for CO and NO Oxidation in Industrial Automotive Exhaust Gas Treatment Benchmarking, Nanomat. 10, 1582 (2020); DOI: 10.3390/nano10081582
• Technische Chemie I (S. Reichenberger), Universität Duisburg-Essen, Essen