Die Abgasnachbehandlung von Kraftfahrzeugen

Alle modernen Personen- und Lastkraftwagen sind heute mit Abgasnachbehandlungssystemen ausgestattet. Die regional verschiedenen Abgasvorschriften (z.B. EURO in Europa, EPA und CARB in den USA) schreiben Maximalemissionen für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide vor. Für Dieselfahrzeuge wird zusätzlich der Ausstoß von Rußpartikeln geregelt. Abhängig von den eingesetzten Motor- und Fahrzeugtypen ist die Abgasnachbehandlung mittlerweile ein System aus verschiedenen Komponenten, die aufeinander abgestimmt sein müssen.

Die Geschwindigkeit der chemischen Prozesse bei der Abgasnachbehandlung ist stark temperaturabhängig. Während der Fahrt sind die Abgastemperaturen jedoch unterschiedlich hoch. Um die Reduktion von Abgasen oder Rußpartikeln bereits bei möglichst niedrigen Temperaturen umzusetzen, werden in verschiedenen Komponenten Platinmetalle eingesetzt.

Nur mit einer Kombination geringerer Rohemissionen der Motoren und einer effizienten Abgasnachbehandlung können die zukünftigen strengen Grenzwerte eingehalten werden.

Namos Biotemplating Technologie zur Einsparung von Edelmetallen kann grundsätzlich in allen Komponenten eingesetzt werden, die Edelmetalle enthalten.

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Abgasnachbehandlung bei Dieselfahrzeugen

Neben Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden müssen bei Dieselfahrzeugen auch die Emissionen von Rußpartikeln reduziert werden. Typische Abgasnachbehandlungssysteme für diesen Fahrzeugtyp bestehen typischerweise aus mehreren Komponenten (siehe Abbildung):

Dieseloxidationskatalysator (DOC)

Im Dieseloxidationskatalysator werden vor allem Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe oxidiert. Der Katalysator ist zwar relativ klein, enthält aber viel Edelmetall (Platin, teilweise auch Palladium).

Katalytisch beschichteter Rußpartikelfilter (CSF)

In diesen Filtern werden Rußpartikel auf einem porösen Träger adsorbiert und entweder kontinuierlich oder bei Erreichen einer kritischen Beladung aktiv verbrannt. Der Einsatz des Edelmetalls Platin verringert auch hier die zur Oxidation der Rußpartikel notwendige Temperatur.

NOx Speicherkatalysator

In diesem Katalysator werden vor allem Stickoxide zu Stickstoff umgesetzt. Durch die modernen mager, d.h. sauerstoffreich betriebenen Motoren fehlt im normalen Betrieb eine ausreichende Menge Kohlenmonoxid sowie Kohlenwasserstoffe für diese Reaktion. Neben Platin als katalytisch aktiver Komponente werden daher NOx-Speichermaterialien wie z.B. Bariumverbindungen eingesetzt. Durch kurzzeitige „fette“ (sauerstoffarme) Phasen werden die Stickoxide freigesetzt und durch die in dieser Zeit verfügbaren Anteile an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe reduziert.

Selektive Katalytische Reduktion (SCR)

Vorwiegend in LKW hat sich die Reduktion von Stickoxiden durch Einspritzung von Harnstoff bereits etabliert. Die Reaktion findet nach der Einspritzung im SCR-Katalysator statt, der kein Edelmetall enthält. Dieses System ist komplexer als der NOx Speicherkatalysator und wird bei PKW daher vermutlich nicht eingesetzt.

Namos fokussiert mit seiner Biotemplating-Technologie gegenwärtig stark auf die Anwendung Dieselabgaskatalyse, da hier eine Reduktion der hohen eingesetzten Edelmetallmengen einen besonders hohen Nutzen darstellt.

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Edelmetallbeschichteter Träger (Beispiel Dieseloxidationskatalysator)

In Dieseloxidationskatalysatoren strömen die Abgase (wie auch in den meisten anderen Katalysatortypen) durch feine Kanäle eines Trägers, der entweder aus Keramik oder Metall besteht. Die Kanäle sind mit einer porösen Keramik (Washcoat) beschichtet, in die das katalytisch aktive Edelmetall eingebettet ist.

Herstellung im Einschrittverfahren

Im derzeit überwiegend angewendeten Einschrittverfahren wird das Edelmetall bereits bei der Zubereitung der Beschichtungskeramik zugesetzt. Bei der Beschichtung des metallischen oder keramischen Trägers wird daher der Washcoat in einem Schritt mit dem Edelmetall aufgebracht und durch eine Temperaturbehandlung fixiert (calcinieren).

Herstellung im Zweischrittverfahren

In besonderen Fällen wird die Beschichtungskeramik zunächst ohne Edelmetall auf den Träger aufgebracht und fixiert. Die Belegung mit Edelmetall erfolgt erst in einem zweiten Schritt durch Tauchen des Trägers in eine Edelmetalllösung.

Die Namos Biotemplating-Technologie wird im herkömmlichen Verfahren durch einfache Additive bei der Einbringung der Edelmetalle eingesetzt. Eine Verwendung ist sowohl im Einschritt- als auch im Zweischrittverfahren möglich.

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Probleme herkömmlicher Beschichtungen - Lösungen durch Namos Biotemplating

Nur ein geringer Teil der heute in Katalysatoren eingesetzten Edelmetalle ist in der Anwendung auch katalytisch wirksam. Dafür sind vor allem folgende Gründe maßgeblich:

• Bei den hohen Temperaturen im Einsatz kommt es zum Zusammenwachsen von anfänglich kleinen Edelmetallpartikeln (Sintern des Edelmetalls)
• Nicht alle Stellen, an denen Edelmetalle abgeschieden werden, sind in der Anwendung gleich zugänglich.

Mit einfachen herkömmlichen Prozessen gibt es nur sehr beschränkte Möglichkeiten, Edelmetalle möglichst ausschließlich an jenen Stellen abzuscheiden, bei denen sowohl maximale Wirksamkeit als auch Sinterstabilität gewährleistet sind.

Neue Entwicklungen setzen bislang auf neue oder verbesserte Prozesse, die jedoch immer komplexer und damit teurer werden.

Namos Biotemplating

Namos setzt bei der Lösung des Problems nicht auf komplexe Prozesse, sondern auf „intelligentes“ Material. Mit Hilfe komplexer Biomoleküle ist es möglich, bei der Herstellung von Katalysatoren die Positionierung von Edelmetallen wesentlich besser zu kontrollieren. Die bisher bereits an Bohrkernen unter Einsatzbedingungen für Dieselfahrzeuge getestete Technologie ermöglicht gegenwärtig bereits eine Einsparung von bis zu 50% Platin. Weitere besondere Merkmale sind:

• Das Verfahren ist kompatibel mit dem Aufbringen der Edelmetalle nach den bisherigen Technologien,
• es funktioniert mit allen bisher genutzten Trägermaterialien
• es erfordert nur einen minimalen Eingriff in die etablierten Herstellungsprozesse von Katalysatoren
• alle Rohstoffe sind hoch verfügbar
• die biologischen Additive sind im fertigen Katalysator gar nicht mehr vorhanden (kein negativer Langzeiteinfluss)

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