Saubere Dieselabgase

Villigen, 12.03.2018 - Wirksamere Bekämpfung der Diesel-Stickoxide durch passgenaue Ammoniak-Zugabe. In Diesel-Motoren entstehen bei der Verbrennung des Kraftstoffs gesundheitsschädliche Stickoxide (NOx). Die Fahrzeugindustrie hat daher ein Verfahren entwickelt, das die Emissionen reduziert: Dem Abgas wird gasförmiges Ammoniak zugegeben, das, angeregt durch einen Katalysator, mit den Stickoxiden zu harmlosem Stickstoff sowie Wasser reagiert. Bei niedrigen Temperaturen funktioniert dieser Prozess jedoch noch nicht optimal. Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut PSI haben nun erstmals auf molekularer Ebene verstanden, was im Motor Abhilfe schafft: Die genaue Menge des zugegebenen Ammoniaks muss je nach Temperatur variiert werden. Mit diesem Wissen können Hersteller die Wirksamkeit ihrer Katalysatoren für Dieselfahrzeuge verbessern. Die Forschenden haben ihre Ergebnisse nun im Fachjournal Nature Catalysis veröffentlicht.

Um die gesundheitsschädlichen Stickoxide in Dieselabgasen effizient zu bekämpfen, muss das Verfahren jeweils der Abgastemperatur angepasst werden. Das haben Forschende des PSI herausgefunden, die die sogenannte Selektive Katalytische Reduktion (SCR) untersucht haben.

Die SCR senkt die Stickoxid-Emissionen aus Diesel-Motoren um bis zu neunzig Prozent. Dies geschieht mittels eines Hilfsstoffs, der unter dem Markennamen AdBlue bekannt ist. Der Hilfsstoff wird in das Abgas eingespritzt und zerfällt dort zu Ammoniak. Mithilfe eines Katalysators wandelt das Ammoniak die gesundheitsschädlichen Stickoxide in harmlosen Stickstoff sowie Wasser um.

Allerdings liefert die SCR nur ab einer Abgastemperatur von deutlich über 200 Grad Celsius befriedigende Ergebnisse. Bei einem Kaltstart dauert es also einige Minuten, bis die Stickoxide optimal abgebaut werden. Aus dem gleichen Grund hat die SCR auch an kalten Wintertagen eine verringerte Leistung.

Verständnis der Reaktionsprozesse im Zeitverlauf

Doch warum verlaufen die Reaktionsprozesse unter verschiedenen Bedingungen so unterschiedlich? Um das herauszufinden, hat ein Forscherteam am PSI die chemischen Vorgänge in einer Kupfer-Zeolith-Verbindung erforscht. Dieses Katalysator-Material, das zum Beispiel in PKW-Motoren und leichten Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, untersuchten sie mit Röntgenlicht aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. „Vereinfacht gesagt durchleuchten wir das Katalysatormaterial mit stark gebündelten Röntgenstrahlen", erläutert PSI-Forscher Maarten Nachtegaal. „Damit können wir auf Ebene der Kupfer-Atome und der daran gebundenen Moleküle erkennen, was während der Reaktionen passiert."

Dabei verwendeten die PSI-Forschenden eine zeitaufgelöste Spektroskopie-Methode, die gegenüber konventionellen Verfahren einen entscheidenden Vorteil hat: Sie stellt den Verlauf der Reaktionen dar, statt nur Momentaufnahmen zu liefern. „Unsere zeitliche Auflösung hier an der SLS ist weltweit nahezu einzigartig", betont Nachtegaal. Die zeitlichen Veränderungen der Abläufe genau zu verstehen ist wichtig, weil sich beispielsweise die Abgas-Temperatur oder die dem Katalysator zugeführten Ammoniak- und Stickoxid-Mengen während der Fahrt laufend ändern.

Ammoniakmenge entscheidend für Emissionsminderung

Die wichtigste Erkenntnis des nun durchgeführten Spektroskopie-Experiments: Ausgerechnet dieses Ammoniak mindert bei niedrigen Temperaturen die Leistungsfähigkeit des Kupfers im Katalysator.

„Ammoniak ist notwendig, um die Stickoxide abzubauen. Wenn aber zu viel Ammoniak vorhanden ist, kann der Katalysator nur eingeschränkt arbeiten", fasst PSI-Forscher Davide Ferri das Ergebnis zusammen. Abhängig von Temperatur und Betriebszustand bedarf es also verschiedener Mengen an Ammoniak, um die Stickoxide optimal abzubauen.

Auf der Grundlage ihrer spektroskopisch gewonnenen Erkenntnisse haben die Forschenden in einem nächsten Schritt die Funktion eines Kupfer-Zeolith-Katalysators unter realistischen Betriebsbedingungen untersucht: „Wir haben im Labor bei wechselnden Temperaturen unterschiedliche Mengen an Ammoniak zugegeben und gemessen, welche Ammoniakdosierung jeweils das beste Ergebnis liefert", sagt Ferri. „Damit können wir nun genau sagen, wann dem Katalysator wie viel Ammoniak zugeführt werden sollte, um die Stickoxide im Abgas zu jeder Zeit so gering wie möglich zu halten."

Bessere Luftqualität durch optimierte Regelung des Katalysators

„Mit unserer Arbeit haben wir ein besseres Verständnis dafür geschaffen, wie sich die Leistungsfähigkeit von Katalysatoren für Diesel-Fahrzeuge steigern lässt", bringt Nachtegaal das Ergebnis des Forschungsprojekts auf den Punkt. So zeigen die PSI-Forschenden der Automobilindustrie einen Weg auf, die Luftqualität gerade in Städten mittelfristig deutlich zu verbessern.

Text: Paul Scherrer Institut

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 380 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Originalveröffentlichung

Time-resolved copper speciation during selective catalytic reduction of NO on Cu-SSZ-13
A. Marberger, A. W. Petrov, P. Steiger, M. Elsener, O. Kröcher, M. Nachtegaal, D. Ferri
Nature Catalysis, 8 March 2018 (online),
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41929-018-0032-6

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