Development of nanocrystalline Sr12Al14O33 and Ca12Al14O33 soot oxidation catalysts

Jedes Mal, wenn ein Dieselmotor läuft, hinterlässt er eine Spur aus winzigen, schwarzen Kohlenstoffpartikeln, die als Ruß bekannt sind. Diese Partikel sind mehr als nur eine Unannehmlichkeit; sie stellen eine erhebliche Gesundheitsgefahr und einen bedeutenden Umweltschadstoff dar. Um unsere Luft sauber zu halten, verwenden moderne Fahrzeuge eine Kombination aus Filtern und Katalysatoren, um diesen Ruß zu verbrennen, bevor er in die Atmosphäre entweicht. Die Katalysatoren wirken wie ein chemischer Funke, der hilft, den Kohlenstoff bei niedrigeren Temperaturen mit Sauerstoff reagieren zu lassen, als dies von selbst geschehen würde. Jahrzehntelang haben sich Wissenschaftler zur Erledigung dieser Aufgabe auf teure Edelmetalle wie Platin verlassen, aber die hohen Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit dieser Metalle haben Forscher dazu getrieben, nach günstigeren, reichlich vorhandenen Alternativen zu suchen. Die Herausforderung besteht darin, ein Material zu finden, das nicht nur erschwinglich ist, sondern auch die spezifische chemische Fähigkeit besitzt, Sauerstoff einzufangen und ihn effizient an den Ruß weiterzugeben.

Ein Forschungsteam am Boreskov-Institut für Katalyse in Russland hat an einer Lösung gearbeitet, die auf einer Familie von Materialien namens Mayenit basiert. Dies sind komplexe Mischungen aus Calcium, Aluminium und Sauerstoff, die eine einzigartige, käfigartige Struktur besitzen. In diesen mikroskopischen Käfigen kann das Material spezielle Formen von Sauerstoff festhalten, die hochreaktiv sind. Stellen Sie sich diese gefangenen Sauerstoffatome als sich in einem Zustand hoher Bereitschaft befindlich vor, begierig darauf, herauszuspringen und mit anderen Substanzen zu reagieren. Obwohl Wissenschaftler über diese Materialien schon lange wissen, waren sie aufgrund der Tatsache schwierig einzusetzen, dass traditionelle Herstellungsmethoden extrem hohe Hitze erfordern. Diese intensive Hitze führt dazu, dass das Material zu großen, festen Klumpen verklumpt, die nur eine sehr geringe Oberfläche besitzen, was sie als Katalysatoren unwirksam macht. Das Ziel dieser neuen Studie war es, einen Weg zu finden, diese Materialien in einer fein verteilten, porösen Form unter viel sanfteren Bedingungen herzustellen, und zu untersuchen, ob eine Strontium-basierte Version des Materials sogar besser funktionieren könnte als die traditionelle Calcium-basierte Version.

Die Forscher testeten verschiedene Wege, um diese Materialien aufzubauen, beginnend mit Methoden, die das Zermahlen verschiedener chemischer Pulver oder das Mischen in flüssigen Lösungen beinhalteten. Sie versuchten, diese Mischungen bei Temperaturen von moderat bis sehr hoch zu erhitzen. Die meisten dieser Ansätze führten jedoch nicht zum gewünschten Ergebnis. Die Mischungen bildeten entweder die korrekte Kristallstruktur bei niedrigeren Temperaturen nicht aus, oder sie bildeten die richtige Struktur, aber nur als große, dichte Klumpen mit fast keiner Oberfläche, wenn sie auf die notwendigen Temperaturen erhitzt wurden. Eine Methode, bei der Metallnitrate mit organischen Säuren gemischt wurden, erwies sich als besonders schwierig, da sie dazu neigte, unerwünschte Carbonatverbindungen anstelle des Zielmaterials zu erzeugen. Das Team fand heraus, dass der erfolgreichste Ansatz überraschend einfach war: Sie nahmen frisch hergestelltes Calciumoxid oder Strontiumoxid und mischten es mit einer Suspension von Aluminiumhydroxid in Wasser. Diese Reaktion erzeugte eine nasse Paste, die beim Trocknen und Erhitzen auf eine relativ niedrige Temperatur von 600 Grad Celsius in die gewünschte nanokristalline Mayenitstruktur transformiert wurde.

Die resultierenden Materialien unterschieden sich bemerkenswert von denen, die mit älteren Methoden hergestellt wurden. Anstatt dicht und inert zu sein, waren diese neuen Proben porös und verfügten über eine riesige interne Oberfläche, wobei die Calcium-Version 80 Quadratmeter pro Gramm und die Strontium-Version 68 Quadratmeter pro Gramm erreichte. Diese hohe Oberfläche ist entscheidend, da sie mehr Raum für die chemischen Reaktionen bietet. Um zu verstehen, was in diesen Materialien geschah, nutzten die Wissenschaftler eine Technik namens elektronenparamagnetische Resonanz, die wie ein empfindlicher Detektor für ungepaarte Elektronen wirkt. Sie fanden heraus, dass die Oberflächen nach dem Erhitzen der Proben in Luft mit aktiven Sauerstoffradikalen besetzt waren. Dies sind Sauerstoffatome, die ein zusätzliches Elektron besitzen, was sie hochgradig instabil und reaktionsfreudig macht. Die Strontium-basierte Probe wies eine noch höhere Konzentration dieser aktiven Radikale auf als die Calcium-Version, was darauf hindeutet, dass die größeren Käfige in der Strontium-Struktur es dem Sauerstoff ermöglichten, sich freier zu bewegen und aktiver zu werden.

Der wahre Test dieser Materialien erfolgte, als die Forscher sie zum Verbrennen von Dieselruß einsetzten. Sie mischten eine kleine Menge des Katalysators mit Dieselruß und erhitzten das Gemisch in einem Luftstrom, wobei sie die Temperatur maßen, bei der Kohlenmonoxid als Zeichen für das Verbrennen des Rußes freigesetzt wurde. Ein Standard-Aluminiumoxid-Material, das als Referenz diente, erforderte eine Temperatur von 620 Grad Celsius, um diesen Prozess zu starten. Im Gegensatz dazu begann der Calcium-basierte Katalysator bereits bei 320 Grad zu arbeiten und erreichte seine Spitzenaktivität bei 480 Grad. Der Strontium-basierte Katalysator zeigte eine noch bessere Leistung, indem er bereits bei nur 280 Grad reagierte und bei 440 Grad seinen Höhepunkt erreichte. Dieser signifikante Temperaturabfall bedeutet, dass der Katalysator wesentlich effizienter bei der Reinigung des Abgases ist. Die Forscher stellten fest, dass die überlegene Leistung der Strontium-Probe wahrscheinlich auf ihre weitere Kristallstruktur zurückzuführen ist, die es den aktiven Sauerstoffspezies ermöglicht, sich leichter zu bewegen und die Rußpartikel schneller zu erreichen.

Diese Studie zeigt, dass es möglich ist, hocheffektive Rußoxidationskatalysatoren ohne den Einsatz teurer Edelmetalle herzustellen. Durch das Finden eines einfachen Weges, diese Materialien bei moderaten Temperaturen zu synthetisieren, haben die Forscher die Tür zur Nutzung von nanokristallinem Mayenit und seinem Strontium-Analog als praktische Werkzeuge für den Umweltschutz geöffnet. Insbesondere die Strontium-Version sticht als vielversprechender Kandidat für zukünftige Anwendungen hervor und bietet einen kostengünstigen und leistungsstarken Weg, um schädliche Emissionen aus Dieselmotoren zu reduzieren. Die Arbeit bestätigt, dass die einzigartige Fähigkeit dieser Materialien, reaktive Sauerstoffspezies aufzunehmen und zu mobilisieren, sie ideal macht, um das anhaltende Problem der Rußverschmutzung anzugehen.