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May 13, 2023

Keramik mit niedriger Betriebstemperatur hilft uns, sauberere Luft zu atmen

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Obwohl sich ein Großteil des Diskurses über die Reduzierung der Fahrzeugemissionen auf Elektrofahrzeuge (EV) konzentriert, bleiben ihre Verkäufe gering – da Elektrofahrzeuge im Jahr 2021 lediglich 1 % der Autokäufe in Japan ausmachen. In der Zwischenzeit wird erwartet, dass die Europäische Union strengere Emissionsvorschriften erlässt Standards in naher Zukunft. Daher ist die Verbesserung der Leistung und Funktionalität von Abgasreinigungskatalysatoren in benzin- oder dieselbetriebenen Fahrzeugen eine entscheidende Komponente auf dem Weg zur CO2-Neutralität.

Fast alle Benzin- oder Dieselfahrzeuge sind mit Katalysatoren ausgestattet, die schädliche Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide entfernen und in sicherere Gase wie Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf umwandeln. Die giftigen Gase strömen durch eine Wabenstruktur, die mit Abgasreinigungskatalysatoren beschichtet ist.

Keramiken mit Sauerstoffspeicherkapazität (OSC) spielen im Reinigungsprozess eine entscheidende Rolle. Sie tragen dazu bei, schädliche Gase zu entfernen und verhindern, dass die Edelmetalle in Katalysatoren vergröbern, was ihre Reinigungsleistung beeinträchtigt.

Um ihr Potenzial zu verbessern, ist jedoch eine niedrigere Betriebstemperatur erforderlich. Dies gelang den Wissenschaftlern jedoch nur schwer, da eine Reduzierung der Temperatur auf weniger als 500 °C zu einer langsameren Ionendiffusion führt.

Jetzt hat eine Forschungsgruppe an der Graduate School of Engineering der Tohoku-Universität ein Oxid auf Cer-Zirkon-Basis (Ce-Zr) mit ausgezeichneter OSC bei 400 °C durch Kontrolle seiner Kristallstruktur entwickelt. Die OSC bei 400 ºC war sogar ohne Edelmetallkatalysatoren um den Faktor 13,5 höher als bei herkömmlichen Materialien.

„Der Schlüssel zu unserem Erfolg war die Einführung einer winzigen Menge Übergangsmetalle wie Eisen in die Ce-Zr-basierten Oxide“, sagte Professor Hitoshi Takamura, Leiter der Forschungsgruppe.

Die „Übergangsmetalldotierung“ hatte zwei bemerkenswerte Auswirkungen auf die Oxide. Es beschleunigte die Sauerstoffdiffusion, indem es die Bildung von Sauerstofffehlstellen erleichterte und die Kationenordnung förderte.

„Die Kationenordnung räumt die Kristallstruktur auf und sorgt dafür, dass Sauerstoff leicht freigesetzt wird“, erklärte Takamura.

Die Eisendotierung verringerte die Kationenordnungstemperatur, was wiederum eine größere Oberfläche für die Oxide auf Ce-Zr-Basis ermöglichte. Dies verbesserte ihre Haltbarkeit und ihre Fähigkeit, giftige Gase zu reinigen.

Takamura und seine Gruppe hoffen, das Material in Zukunft testen zu können, indem sie es mit Palladium auf Wabenträgern beladen.

Einzelheiten zur Forschung der Gruppe wurden am 27. September 2022 im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht. Der Artikel wurde für die Titelseite der Zeitschrift ausgewählt.

Referenz: Murakami K, Sugawara Y, Tomita J, Ishii A, Oikawa I, Takamura H. Die Niedertemperatursynthese von kationengeordnetem Ce-Zr-basiertem Oxid über eine Zwischenphase zwischen Ce und Fe. J Mater Chem A. 2022;10(40):21291-21299. doi: 10.1039/D2TA05068D

Dieser Artikel wurde aus den folgenden Materialien erneut veröffentlicht. Hinweis: Das Material wurde möglicherweise hinsichtlich Länge und Inhalt bearbeitet. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die angegebene Quelle.