Drei-Wege-Katalysator

Ausschnitt aus einem Cordieritwabenkörper, der als Substrat für den Drei-Wege-Katalysator dient

Der Drei-Wege-Katalysator dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung bei der gleichzeitig Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt werden. Die gleichzeitige Umwandlung dieser drei Schadstoffe war der Grund für die Namensgebung des Drei-Wege-Katalysators.

Um eine hohe Konversion der Schadstoffe zu gewährleisten muss das optimale stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit Hilfe einer Lambdasonde geregelt werden. Der Drei-Wege-Katalysator reduziert beim Betrieb mit optimalem Verbrennungsluftverhältnis die Schadstoffemissionen signifikant.

Geschichte

Eugene Houdry entwickelte den ersten Oxidationskatalysator und erhielt 1956 ein Patent dafür. Allerdings kam der Katalysator nicht zum Einsatz, da dieser durch den Oktanzahlverbesserer Bleitetraethyl schnell deaktiviert wurde. Die Einführung des Drei-Wege-Katalysator ist eng mit den Anforderungen der Emissionsgesetzgebung verbunden. Neben der technischen Herausforderung der Entwicklung eines Katalysators, der gleichzeitig alle Schadkomponenten aus dem Abgas entfernt waren infrastrukturelle Maßnahmen wie die Eliminierung von Bleitetraethyl aus dem Ottokraftstoff notwendig, da es als Katalysatorgift wirkt. Außerdem war eine Reduktion des Kraftstoffschwefelgehalts wünschenswert.

Um die strengeren Abgasvorschriften der Environmental Protection Agency zu erreichen, wurden Fahrzeuge zunächst mit Zwei-Wege-Oxidationskatalysatoren ausgestattet, die zwar Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umsetzten, Stickoxide jedoch nicht aus dem Abgas entfernten. Die erste flächendeckende Einführung erfolgte 1975 im US-amerikanischen Markt. Der Durchbruch gelang schließlich John J. Mooney und Carl D. Keith im Jahr 1981 mit der Entwicklung des Drei-Wege-Katalysators.^[1]

Wirkung

Die Schadstoffe Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide werden nach folgenden Gleichungen aus dem Abgas entfernt:

$\mathrm{2\ CO\ +\ O_2 \longrightarrow \ 2\ CO_2}$

$\mathrm{2\ C_2H_6\ +\ 7\ O_2 \longrightarrow \ 4\ CO_2\ + 6\ H_2O}$

$\mathrm{2\ NO +\ 2\ CO \longrightarrow \ N_2\ + 2\ CO_2}$

Bei einer Abweichung vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den Luftüberschuss, dem so genannten mageren Bereich, werden nicht alle Stickoxide abgebaut, da die benötigten Reduktionsmittel schon vorher oxidiert werden. Im Luftunterschuss, dem so genannten fetten Bereich, werden nicht alle Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid abgebaut. Bei älteren Modellen wurde im fetten Bereich außerdem auf dem Katalysator absorbiertes Sulfat zu Schwefelwasserstoff reduziert und verursachte einen unangenehmen Geruch nach faulen Eiern.

Cer(IV)-oxid wird als Sauerstoffspeicherkomponente eingesetzt und stellt im fetten Bereich Sauerstoff gemäß folgender Gleichung zur Verfügung:

$\mathrm{4 \ CeO_2 + 2 \ CO \xrightarrow{{Pt, Pd}} 2 \ Ce_2O_3 + 2 \ CO_2}$

Im Sauerstoffüberschuss bildet sich wieder die Ausgangskomponente:

$\mathrm{2 \ Ce_2O_3 + O_2 \longrightarrow 4 \ CeO_2}$

Herstellung

Der Katalysator besteht aus einem keramischen Cordieritwabenkörper oder einem Metallträger, auf dem ein so genannter Washcoat aufgebracht wird. Der Washcoat besteht aus einer Mischung verschiedener Metalloxide. Die Metalloxide γ-Aluminiumoxid und Zirconiumdioxid stellen die Trägersubstanzen für die katalytisch aktiven Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium dar, Cerdioxid dient als Sauerstoffspeicherkomponente. Der Codieritwabenkörper wird zum Einbau ins Fahrzeug in ein Blechgehäuse eingeschweißt, das mit einer Mineralfasermatte ausgekleidet ist. Metallträger können direkt in den Abgasstrang eingeschweißt werden.

Substrat

Metallsubstrat-Katalysator

Als Substrat wird meist ein Keramik-Monolith mit einer Wabenstruktur verwendet. Das Cordierit-Keramiksubstrat, das in den meisten Katalysatoren verwendet wird, wurde von Rodney Bagley, Irwin Lachman und Ronald Lewis bei Corning Glass erfunden. Für diese Erfindung wurden sie in die US-amerikanische National Inventors Hall of Fame im Jahr 2002 aufgenommen.

Die Keramik-Monolithe haben in Abhängigkeit von der Kanalgröße eine geometrische Oberfläche von etwa ein bis fünf Quadratmeter pro Liter Katalysatorvolument.

Washcoatbeschichtung

Für die Herstellung des Katalysators wird zunächst eine saure Metalloxidsuspension hergestellt. Diese kann durch verschiedene Verfahren auf den Cordieritträger aufgebracht werden. Im einfachsten Fall wird der Wabenkörper in die Suspension getaucht. Die überschüssige Suspension wird ausgeblasen, der beschichtete Wabenkörper wird anschließend getrocknet und calziniert. Die feinen Kanäle der Wabenkörpers enthalten dann eine dünne Schicht eines Metalloxidgemisches. Im nächsten Schritt erfolgt die Imprägnierung dieser Schicht mit Edelmetallsalzlösungen. Durch weiteres Trocknen und Calzinieren werden die Edelmetalle auf dem Träger fixiert. Alternativ können die Edelmetalle bereits vor der Beschichtung des Cordieritträgers auf den Metalloxiden imprägniert werden. Abschließend wird der Katalysator in eine Mineralfasermatte eingepackt und in ein Blech eingeschweißt.

Technische Merkmale

Wichtige technische Merkmale eines Drei-Wege-Katalysators sind neben der chemischen Zusammensetzung sein Light-off-Verhalten, der Druckverlust, das Thermoschockverhalten und die Washcoatadhäsion.

Literatur

• H. Bode: Materials Aspects in Automotive Catalytic Converters, Verlag Wiley-VCH (2002) ISBN 3527304916
• R. M. Heck: Catalytic Air Pollution Control: Commercial Technology, 544 Seiten, Verlag John Wiley & Sons (2009), ISBN 0470275030

Einzelnachweise

1. ↑ J. J. Mooney, C. D. Falk: Three-Way Conversion Catalysts: Effect of Closed-Loop Feed-Back Control and Other Parameters on Catalyst Efficiency, in SAE Technical Papers, doi:10.4271/800462