BASF Katalysatorsystem entfernt gasförmige Schadstoffe und Feststoffe

Der zunehmende Wohlstand in vielen Schwellenländern führt dazu, dass immer mehr Menschen mobil sein möchten. Gleichzeitig erhöht die globale Urbanisierung die Fahrzeugdichte. Derzeit fahren, nach Schätzungen von LMC Automotive, rund um den Globus etwa 1 Milliarde Autos, im Jahr 2018 soll sich die Zahl auf fast 1,2 Milliarden erhöhen – mit zunehmend negativen Auswirkungen auf die Luftqualität in den Metropolen der Welt. Antriebskonzepte wie die Elektromobilität – vollelektrisch oder als Hybridvariante – gewinnen zunehmend an Bedeutung. "Doch der Verbrennungsmotor bleibt auch mittelfristig die doMINIerende Antriebsform auf den Straßen", sagt Dr. Klaus Harth, verantwortlich für die Forschung an Automobil-Katalysatoren bei der BASF. "Die Schadstoffbelastung bei Verbrennungsmotoren zu reduzieren, bleibt daher weiterhin ein wichtiges globales Thema." Auch die staatlichen Vorgaben bei den Abgaswerten werden weltweit immer restriktiver. Um diese Standards in Zukunft einhalten zu können, müssen Katalysatoren weiter optimiert werden. Eine zukunftsweisende Technologie ist der neue Vier-Wege-Katalysator der BASF.

Verbrennungsmotoren produzieren umweltschädliche Abgase, weil der Treibstoff – ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen – nur unvollständig verbrennt. Damit Schadstoffe wie Stickoxide, Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Rußteilchen nicht in die Luft gelangen, sind Benzin- und Dieselfahrzeuge mit Katalysatoren und teilweise zusätzlich mit Partikelfiltersystemen ausgestattet. Sie reinigen den Abgasstrom, bevor er den Auspuff verlässt. Das hat die Schadstoffbelastung in den vergangenen vier Jahrzehnten drastisch verringert.

Der bekannte Drei-Wege-Katalysator wird seit 1976 in Nordamerika eingesetzt – und seit 1986 in Europa. Harth: "Heute schaffen es Katalysatoren, weit mehr als 95% der unerwünschten Stoffe aus dem Abgasstrom zu entfernen." Dafür sorgen die eingesetzten Katalysatoren mit ihrer inneren Struktur: Abgaskatalysatoren bestehen aus einem speziellen Keramikträger, dem Monolithen, der von vielen parallelen Kanälen durchzogen ist. Abhängig von der Anwendung weisen die Kanalwände unterschiedlich große Poren auf. Dieser Keramikträger wird mit einem Washcoat beschichtet, der Metalloxid-Partikel mit einer sehr großen inneren Oberfläche enthält. In den Washcoat sind feinverteilte Edelmetallpartikel (beispielsweise Palladium und Rhodium bei Drei-Wege-Katalysatoren) eingebracht. Diese Materialien sind katalytisch aktiv und sorgen dafür, dass Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) in Wasser (H₂O), Stickstoff (N₂) und Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt werden. Die Edelmetalle ermöglichen als katalytisch aktive Substanzen die Reaktion und sind daran beteiligt, aber sie gehen daraus unverbraucht wieder hervor – eine grundlegende Eigenschaft von Katalysatoren.

Drei plus eins macht vier

BASF-Forscher haben den Drei-Wege-Katalysator weiterentwickelt und seine Reinigungswirkung optimiert: Der neue Vier-Wege-Katalysator, kurz FWC™ (Four-way-conversion-catalyst) ist eine Technologie für Fahrzeuge mit Benzinmotor. Der Katalysator entfernt die gasförmigen Schadstoffe und auch Feststoffe wie Rußteilchen aus dem Abgasstrom. "Der kompakte Vier-Wege-Katalysator vereint jetzt alle wichtigen Eigenschaften auf einem einzigen Bauteil. Verglichen mit dem Drei-Wege-Katalysator und nachgeschaltetem, unbeschichtetem Partikelfilter benötigt er aber wesentlich weniger Platz", sagt Harth. Ein weiterer Vorteil: "Wir haben es geschafft, dass der FWC nur einen geringen Gegendruck für das durchströmende Abgas aufbaut", so der BASF-Experte.

Für die Automobilhersteller ist dies ein wichtiger Aspekt. Ein hoher Gegendruck erhöht den Widerstand, den der Abgasstrom bis zum Auspuff überwinden muss. Ist der Gegendruck zu hoch, beeinträchtigt das die Leistungsfähigkeit des Motors und verschlechtert den Kraftstoffverbrauch. Um den Gegendruck so gering wie möglich zu halten, haben BASF-Experten innovative Produktions- und Beschichtungstechnologien entwickelt. Diese erlauben es beispielsweise, die porösen Innenwände des Monolithen gezielt mit dem katalytisch aktiven Material zu beschichten.

Die resultierende Reinigungswirkung des Vier-Wege-Katalysators ist groß: "Unsere langjährige Erfahrung mit Katalysatortechnologien ermöglicht es uns, maßgeschneiderte katalytische Strukturen zu schaffen", erklärt Harth. Dadurch bildet sich eine enorm große Oberfläche mit einer hohen Katalysatoraktivität. Und deshalb müssen deutlich weniger Edelmetalle im Vier-Wege-Katalysator verarbeitet werden. Die poröse Monolithwand stellt aber auch einen Filter für die Rußpartikel dar: Die Teilchen bleiben dort hängen und werden bei hohen Temperaturen und mithilfe der katalytischen Beschichtung zu Kohlendioxid verbrannt. Damit leistet der Vier-Wege-Katalysator der BASF mehr als ein System mit unbeschichtetem Filter: Weil die Rußpartikel größtenteils zu CO₂ verbrannt werden, können sich die Poren des Katalysators nicht zusetzen – das Bauteil bleibt dadurch funktionstüchtig.

In Testreihen wurde die Langzeitstabilität bereits nachgewiesen: Auch nach mehr als 160.000 Fahrkilometern säubert der Vier-Wege-Katalysator den Abgasstrom innerhalb der strengen Emissionsvorgaben einwandfrei. Im April 2013 wurde das neue System vorgestellt und befindet sich mittlerweile in der Entwicklungs- und Testphase bei vielen Automobilherstellern – immer mit Blick auf die Serienproduktion. "Der Vier-Wege-Katalysator hilft Automobilherstellern, die strengen Emissionsregulierungen wie die Euro 6-Norm einzuhalten", sagt Harth. "In wenigen Jahren wird unser System zur gängigen Technologie in der Abgasreinigung zählen."