Zündtemperatur von Dieselruß senken

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Mit elektrifizierten leitfähigen Oxidkatalysatoren

Unter Verwendung leitfähiger Metalloxide als Katalysatoren haben Forscher eine Elektrifizierungsstrategie entwickelt, die darauf abzielt, die Entzündungstemperatur von Ruß zu senken. Entsprechende Ergebnisse wurden in Nature Catalysis veröffentlicht. Die Forschungsarbeiten wurden von der Gruppe von Prof. ZHANG Jian am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und der Gruppe von Prof. ZHANG Zhaoliang von der Universität Jinan durchgeführt.

Dieselauspuff eines spanischen Busses – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Die katalytische Rußverbrennung ist die effizienteste Nachbehandlungstechnologie zur Verringerung von Dieselrußpartikelemissionen, die schwere Gesundheits- und Umweltprobleme verursachen können. Allerdings fahren Dieselfahrzeuge in Städten häufig im Leerlauf, wobei die Abgastemperaturen nur 100-200 °C erreichen, was für eine katalytische Rußverbrennung zu niedrig ist. Mit dem Ziel, eine Rußzündung bei niedrigen Temperaturen zu erreichen, haben Forscher des NIMTE und der Universität Jinan eine Elektrifizierungsstrategie für die Rußverbrennung entwickelt. Als Katalysatoren wurden typische leitfähige Metalloxide mit ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit und Leitfähigkeit eingesetzt.

Nach Angaben der Forscher wurden 53 % des Rußes in den Mischungen innerhalb weniger Minuten bei <75 °C verbrannt. Die erzielte Leistung war der konventionellen thermisch-katalytischen Rußverbrennung, die in der Regel bei T50 (Temperatur, bei der 50 % des Rußes umgesetzt werden) >300 °C liegt, weit überlegen. Die Abhängigkeit der Elektrifizierung von den Kontaktbedingungen ist also wesentlich geringer als beim herkömmlichen thermischen Verfahren. Was den Energiebedarf betrifft, so verbraucht der Elektrifizierungsprozess erheblich weniger Energie als der thermische Prozess, wobei die Energieeinsparung ein bis zwei Größenordnungen beträgt.

Darüber hinaus wurden zwei Schlüsselmechanismen für die Leistung beleuchtet: Die elektrisch angetriebene Freisetzung von Gittersauerstoff aus den Katalysatoren ist für die schnelle Rußzündung bei niedrigen Temperaturen verantwortlich, während die entgegengesetzte elektrostatische Fluidisierung zwischen dem leitfähigen Katalysator und den Rußpartikeln für die Verbesserung der Katalysator-Ruß-Kontakteffizienz verantwortlich ist.

Der Elektrifizierungsprozess hat einen Durchbruch bei der Zündtemperatur für die Rußverbrennung erzielt und stellt eine zukunftsweisende Strategie zur Lösung des gemeinsamen Problems aller Kfz-Nachbehandlungssysteme bei niedrigen Abgastemperaturen dar. Es ist vielversprechend, dass diese Strategie in das Fahrzeugdesign integriert werden könnte, insbesondere in das von Hybrid-Elektrofahrzeugen, und zwar mit Hilfe von bordeigenen elektrischen Antriebssystemen.

Aus Nature Catalysis Das Streben nach niedrigen Reaktionstemperaturen verdient erhebliche Anstrengungen im Hinblick auf die Katalyse für die Energieeffizienz. Die katalytische Rußverbrennung, die vorherrschende Technologie zur Verringerung der Emission schädlicher Dieselrußpartikel, rfolgt bei einer Abgastemperatur von <200 °C im häufigen Leerlauf nicht effizient. Eine neue Elektrifizierungsstrategie will die Zündtemperatur, bei der 50 % des Rußes (T50) umgewandelt werden, auf <75 °C absenken, indem leitfähige Oxide als Katalysatoren verwendet werden, z. B. Kalium-gestützte Antimon-Zinn-Oxide. Die erzielten Leistungen sind denen der herkömmlichen thermisch-katalytischen Rußverbrennung – im Allgemeinen mit T50 >300 °C – weit überlegen.
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