Forschung

Katalytische Methanreduktion

Erdgasfahrzeuge gelten als umweltfreundlich, weil sie sehr effizient und emissionsarm sind. Allerdings ist der Schlupf von Methan – dem klimaschädlichen Hauptbestandteil von Erdgas – problematisch. Daher ist eine zuverlässige oxidative Minderung von Methan in der katalytischen Abgasnachbehandlung enorm wichtig. Dabei stellt vor allem die mangelnde Langlebigkeit der Katalysatoren ein bisher nur unzureichend gelöstes Problem dar. Das Projekt hat diesbezüglich neue Erkenntnisse vorgelegt. Die Grundlage dafür bildeten kinetische Messungen zum Methanumsatzverhalten an einem Modellkatalysator, der aus Palladium (Pd) und Platin (Pt) auf Aluminiumoxid (Al2O3) bestand. Bei den Untersuchungen hat sich gezeigt, dass Methan eine rasche Deaktivierung des Katalysators bewirkt. Stickoxide hingegen führen ebenso wie eine Reduktion durch Wasserstoff bei 400 °C dazu, gealtertes Katalysatormaterial zu reaktivieren. Schwefeldioxid im Abgas bestimmt ebenfalls das Verhalten des Katalysators und führt unmittelbar zu dessen Vergiftung.

» Die Projektergebnisse sind ein wichtiger Beitrag zum besseren Verständnis der Wirkmechanismen bei der katalytischen Methanoxidation über Edelmetallen. Durch die gewonnenen Erkenntnisse können Abgaskatalysatoren von Gasmotoren verbessert und infolgedessen die emittierten Methanmengen reduziert werden. «
Dr. Hans-Christoph Schwarzer (Clariant Produkte (Deutschland) GmbH)

Motivation

Zu den Vorteilen erdgasbetriebener Autos zählen die im Vergleich zu Diesel- oder Benzinfahrzeugen geringeren CO2- und Rußemissionen. Diesen Vorteilen steht ein erhöhter Schlupf von Methan gegenüber. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und weist ein vielfach höheres Treibhauspotenzial als CO2 auf. Bei Erdgasfahrzeugen kommt daher eine katalytische Abgasnachbehandlung zum Einsatz, deren zuverlässiger Betrieb technisch sehr anspruchsvoll ist. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, die Faktoren für eine höhere Langlebigkeit dieser Katalysatoren systematisch zu untersuchen.

Methodik

Die Untersuchungen erfolgten mithilfe eines Pd-Pt/Al2O3-Modellkatalysators zur Methanoxidation. Anhand von physikalisch-chemischen Analysen der Katalysatorproben konnte der Einfluss verschiedener Gaskomponenten, der Raumgeschwindigkeit sowie der Methankonzentration überprüft werden. Es kamen Gemische aus Methan, Wasser, Sauerstoff und Stickstoff sowie aus einem simulierten Realabgas zum Einsatz. Langzeitversuche gaben Aufschluss über die Katalysatoralterung. Den Abschluss bildeten Reaktivierungsexperimente, um die Reversibilität der Alterung zu überprüfen und um Maßnahmen zur verbesserten Langzeitaktivität des Katalysators aufzuzeigen.

Ergebnis

Der Katalysator verliert im Betrieb schnell an Aktivität, wenn Methan im Abgas vorhanden ist. Stickoxide sind dagegen in der Lage, den gealterten Katalysator zu reaktivieren. Auch eine Reduktion durch Wasserstoff bei 400 °C ermöglichte eine Reaktivierung gealterter Katalysatorproben. Schwefeldioxid ist zum Teil im Kraftstoff für Gasmotoren enthalten und beeinflusst das Verhalten des Katalysators ebenfalls maßgeblich. Der Umsatz des Katalysators geht umgehend zurück, und die Langzeitaktivität sinkt aufgrund einer Blockade der aktiven Edelmetallzentren drastisch. Die Erkenntnisse liefern wichtige Entwicklungsimpulse, um die Eigenschaften von Abgaskatalysatoren weiter zu verbessern.

Dokumentation

Methan katalytisch | Untersuchung der Wirkmechanismen bei katalytischer Methanreduktion | Vorhaben-Nr. 1134

Methan katalytisch II | Methan-Oxidations-Katalysatoren: Einfluss von Katalysatorzusammensetzung, Druck und Gaszusammensetzung auf Aktivität, Alterung und Reaktivierung | Vorhaben-Nr. 1177

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Eigenmittel

Fördersumme
500.000‬,00 EUR

Laufzeit
01.03.2013 bis 31.08.2013 Teil I
01.10.2014 bis 30.09.2016 Teil II

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Industrie

Dr. Hans-Christoph Schwarzer
Clariant Produkte (Deutschland) GmbH

Forschungsstellen

Institut für Technische Chemie und Polymerchemie, Fakultät für Chemie und Biowissenschaften - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. rer. nat. Olaf Deutschmann
Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt

Karlsruher Institut für Technologie

Institut für Technische Chemie und Polymerchemie

Engesserstr. 18 / 20
76131 Karlsruhe
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
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Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

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