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News: Eine zündende Idee

Katalysatoren sind wichtige Helfer in der chemischen Industrie, und ohne sie läuft manchmal rein gar nichts. Aber gegenüber hohen Temperaturen sind sie meist ein bißchen empfindlich. Dabei wäre es zum Beispiel sehr wünschenswert, wenn man für die Verbrennung von Erdgas nicht über 1000 Grad Celsius, sondern nur ein paar hundert Grad Celsius aufbringen müßte. Die bisherigen Katalysatoren waren zwar schon nah dran, aber das Wunschziel haben Wissenschaftler erst jetzt erreicht. Ein neu entwickeltes Material löst die Verbrennung jetzt schon bei 400 Grad Celsius aus - und die folgende Hitze macht dem weißen, flockigen Pulver nichts mehr aus.
Viele industrielle Prozesse benötigen Katalysatoren. Diese Zusätze erniedrigen zum Beispiel die Temperatur, bei denen bestimmte chemische Reaktionen starten. Ein Problem ist, daß die verwendeten Verbindungen oft nicht ausreichend hitzetolerant sind und daher bei sehr hohen Temperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius zerstört werden.

Das Problem stellte sich bisher auch bei der Verwendung von Erdgas zur Stromgewinnung in Kraftwerken. Da bei seiner Verbrennung deutlich weniger Kohlendioxid entsteht als bei jedem anderen fossilen Brennstoff, wäre es eine weniger umweltfeindliche Alternative. Aber bei der Verbrennung werden Temperaturen von etwa 1400 Grad Celsius benötigt, um eine stabile Flamme zu erzeugen. Während des Verbrennungsprozesses können die Temperaturen sogar noch weiter in die Höhe klettern. Zu den weiteren Nachteilen gehört auch, daß bei diesen Temperaturen aus dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und Stickstoff Stickoxide entstehen, die zum Sauren Regen und Smog beitragen. Bei niedrigeren Brenntemperaturen wäre der Ausstoß an Stickoxiden sowie Treibhausgasen wie unverbranntem Methan deutlich verringert.

Bisher wurden zwei Typen von Katalysatoren für diesen Verbrennungsprozeß untersucht. Eine Gruppe basierte auf Edelmetallen, doch sie waren für die herrschenden Temperaturen von etwa 1300 Grad Celsius nicht hitzetolerant genug. Mit weiteren Katalysatoren auf der Grundlage anderer Metalle gelang es Wissenschaftler zwar, den Entzündungspunkt auf 700 Grad Celsius zu drücken, angestrebtes Ziel sind aber 400 Grad Celsius.

Diese magische Grenze haben Jackie Ying und ihre Mitarbeiter vom Massachusetts Institute of Technology nun mit einem neu entwickelten Katalysator erreicht (Nature vom 6. Januar 2000). Die Anregungen dazu stammten aus ihrer Arbeit mit nanoporösen und nanokristallinen Materialien, die Poren oder Kristalle mit weniger als einem Milliardstel Meter Durchmesser enthalten. Mit einer umgekehrten Mikroemulsion stellten sie einen Katalysator aus Bariumhexaaluminat (BHA) her. Bei diesem Verfahren sind Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern in Öl suspendiert. Jeder Tropfen ist dabei im Prinzip ein winziges Reaktionsgefäß, in das die "Zutaten" für den Katalysator bevorzugt einwandern und reagieren. Anschließend wird das Gemisch erhitzt.

Bei herkömmlichen Herstellungsmethoden für BHA ist das Material meist schlecht gemischt, bevor es erhitzt wird. Daher muß die Kristallisation bei sehr hohen Temperaturen durchgeführt werden, was zu recht großen Partikeln führt. Die dadurch geringere Oberfläche verringert ihre Reaktivität und ermöglicht nur Entzündungstemperaturen von mindestens 700 Grad Celsius. Durch das neue Verfahren, bei dem das Material vor der Erhitzung deutlich besser durchmischt ist, konnten die Entzündungstemperaturen immerhin schon auf 600 Grad Celsius gesenkt werden. Außerdem betrug die Oberfläche der im Durchmesser nur 30 Nanometer großen Kristalle rund das Zehnfache der gleichen Menge herkömmlicher BHA-Kristalle.

Doch damit nicht genug. Die Forscher setzten der Emulsion zur Herstellung ihrer Katalysatoren noch Ceria zu, das ebenfalls in die Wassertröpfchen diffundierte und dort mit dem BHA reagierte. Ceria ist besonders bei niedrigen Temperaturen ein aktiver Katalysator, bei mehr als 600 Grad Celsius verschmelzen die einzelnen Kristalle jedoch und zerstören das Material. Die Bindung an das BHA aber verhindert diesen Vorgang.

Der neu entwickelte Katalysator leitet die Reaktion nun bei 400 Grad Celsius ein, übersteht aber dennoch Temperaturen von mehr als 1100 Grad Celsius. Außerdem ist er in Gegenwart von Wasserdampf und anderen potentiellen Störsubstanzen stabil. Die Forscher hoffen, daß er deshalb auch noch in anderen Bereichen eingesetzt werden kann.

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