Mit passgenauer Ammoniak-Zugabe gegen Diesel-Stickoxide

Um die gesundheitsschädigenden Stickoxide (NOx) in Dieselabgasen zu verringern, hat die Autoindustrie ein Verfahren entwickelt. Ein Hilfsstoff namens AdBlue wird in das Abgas eingespritzt, wo dieser zu Ammoniak zerfällt. Mithilfe eines Katalysators wandelt das Ammoniak anschliessend die gesundheitsschädlichen Stickoxide in harmlosen Stickstoff und Wasser um.

Der Haken: Erst ab einer Abgastemperatur von deutlich über 200 Grad Celsius liefert der Prozess befriedigende Ergebnisse. An kalten Wintertagen funktioniert diese sogenannte Selektive Katalytische Reduktion (SCR) nur mit geringerer Leistung. Auch bei einem Kaltstart dauert es einige Minuten, bis die Stickoxide effizient abgebaut werden.

Katalysator durchleuchtet

Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben nun erstmals auf molekularer Ebene verstanden, was im Motor Abhilfe schafft, wie das Forschungsinstitut am Montag mitteilte. Um herauszufinden, warum die Reaktionsprozesse unter verschiedenen Bedingungen so unterschiedlich verlaufen, schaute sich das Forschungsteam die chemischen Vorgänge in einer Kupfer-Zeolith-Verbindung genauer an.

Dieses Katalysator-Material, das etwa in PKW-Motoren und leichten Nutzfahrzeugen eingesetzt wird, durchleuchteten sie mit stark gebündelten Röntgenstrahlen aus der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS). «Damit können wir auf Ebene der Kupfer-Atome und der daran gebundenen Moleküle erkennen, was während der Reaktionen passiert», wird Forscher Maarten Nachtegaal in der Mitteilung zitiert.

Die Wissenschaftler verwendeten eine zeitaufgelöste Spektroskopiemethode. Diese stellt den Verlauf der Reaktionen dar, statt nur Momentaufnahmen zu liefern. Die zeitlichen Veränderungen der Abläufe genau zu verstehen ist wichtig, weil sich beispielsweise die Abgastemperatur oder die dem Katalysator zugeführten Ammoniak- und Stickoxid-Mengen während der Fahrt laufend verändern.

Das Experiment zeigte, dass ausgerechnet dieses Ammoniak bei niedrigen Temperaturen die Leistungsfähigkeit des Kupfers im Katalysator mindert. «Ammoniak ist notwendig, um die Stickoxide abzubauen. Wenn aber zu viel Ammoniak vorhanden ist, kann der Katalysator nur eingeschränkt arbeiten», fasst PSI-Forscher Davide Ferri zusammen.

Bessere Luftqualität dank richtiger Dosis

Abhängig von Temperatur und Betriebszustand bedarf es also verschiedener Mengen an Ammoniak, um die Stickoxide optimal abzubauen. Über ihre Erkenntnisse berichtet die Forschungsgruppe im Fachjournal «Nature Catalysis».

Die Wissenschaftler untersuchten die Funktion eines Kupfer-Zeolith-Katalysators auch unter realistischen Betriebsbedingungen. Sie gaben bei wechselnden Temperaturen unterschiedliche Mengen an Ammoniak zu und ermittelten, welche Dosierung das beste Ergebnis liefert.

«Mit unserer Arbeit haben wir ein besseres Verständnis dafür geschaffen, wie sich die Leistungsfähigkeit von Katalysatoren für Diesel-Fahrzeuge steigern lässt», so Nachtegaal. Damit zeigen die Forschenden der Automobilindustrie einen Weg auf, die Luftqualität gerade in Städten mittelfristig deutlich zu verbessern, wie das PSI schreibt.