Katalysator

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Der Abgaskatalysator bzw. Fahrzeugkatalysator, auch kurz Katalysator (umgangssprachlich Kat), dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Durch den Katalysator können die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Im Allgemeinen wird die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet. Der Fahrzeugkatalysator besteht meist aus mehreren Komponenten. Als Träger dient ein temperaturstabiler Wabenkörper aus Keramik(Monolith) oder Metallträger Metalit, der mit einer Vielzahl dünnwandiger Kanäle durchzogen ist. Auf dem Träger befindet sich der so genannte Washcoat. Er besteht aus sehr porösem Aluminiumoxyd (Al2O3) und dient zur Vergrößerung der Oberfläche. Durch die hohe Oberflächenrauhigkeit wird eine sehr große Oberfläche realisiert (bis zu mehreren tausend Quadratmetern). In dem Washcoat sind die katalytisch aktiven Edelmetalle eingelagert. Bei modernen Abgaskatalysatoren sind dies die Edelmetalle Platin, Rhodium und Palladium. Der keramische Träger ist mithilfe spezieller Matten in einem metallischen Gehäuse, dem so genannten Canning, gelagert. Das Canning ist fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt zum Teil weitere Anschlussmöglichkeiten für z. B. Lambdasonden oder Thermoelemente. Die Wirkungsweise beruht auf katalytischen Reaktionen. Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umsetzung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (HmCn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O) und Stickstoff (N2) durch Oxidation bzw. Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors und bei optimalen Betriebsbedingungen können Konvertierungsraten nahe 100 % erreicht werden. Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen jedoch zunehmend mehr Stickoxide NOx, die beispielsweise maßgeblich an der Bildung von Sommersmog beteiligt sind. Durch ständige Weiterentwicklung der Katalysatortechnologie wird die Wirkungsweise der Katalysatoren an die geänderten Motoremissionen angepasst. Abgaskatalysator: Der Katalysator (von der Katalyse griechisch ?at???s??, katálysis - die Auflösung mit lateinischer Endung) ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemische Reaktion beeinflusst, ohne dabei verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Abgaskatalysator: Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie. Katalysatoren, die die Aktivierungsenergie herabsetzen, werden als positive Katalysatoren bezeichnet, solche, die die Aktivierungsenergie heraufsetzen, als negative Katalysatoren oder Inhibitoren Abgaskatalysator: Umgangssprachlich meint man mit Katalysator meist den Fahrzeugkatalysator, oft verkürzt als der Kat. Eigenschaften eines Katalysators: liegt nach Abgaskatalysator: einer Reaktion unverändert vor beschleunigt/verlangsamt eine Reaktion (verändert die Reaktionsgeschwindigkeit) erhöht/verringert die Aktivierungsenergie wirkt Abgaskatalysator: selektiv (bestimme Reaktionen benötigen bestimmte Katalysatoren) Weitere Fachbegriffe zum Thema Katalysator: Katalyse, Autokatalyse, homogene Katalyse heterogene Katalyse, Katalysatorgift und Biokatalysator. Seit der Antike werden chemische Abgaskatalysator: Reaktionen mit Hilfe von Katalysatoren ausgeführt. Erst Jöns Jakob Berzelius kam 1835 zu der Erkenntnis, dass eine Vielzahl von Reaktionen nur dann erfolgte, wenn ein bestimmter Stoff zugegen war, der jedoch nicht verbraucht wurde. Seiner Meinung Abgaskatalysator: nach wurden diese Stoffe nicht umgesetzt, lieferten jedoch durch ihre Anwesenheit die Energie über ihre katalytische Kraft. Er bezeichnete diese Stoffe als Katalysatoren. In der Folgezeit gelang es, tieferes Verständnis für die thermodynamischen Abgaskatalysator: Hintergründe der Katalyse zu gewinnen. Wilhelm Ostwald definierte den Katalysator wie folgt: \"Ein Katalysator ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden und ohne die endgültige Lage des thermodynamischen Gleichgewicht dieser Reaktion zu verändern.\"Für seine Arbeiten um die Katalyse erhielt Wilhelm Ostwald den Nobelpreis für Chemie. Die Wirkungsweise eines Katalysators beruht auf seiner Möglichkeit, den Mechanismus einer chemischen Reaktion derart zu verändern, dass die Aktivierungsenergie herabgesetzt wird. Abgaskatalysator: Man \"geht einen anderen Weg\" auf der Energie-Hyperpotentialfläche. Dieses geschieht über die Bildung einer reaktiven Zwischenverbindung (auch aktivierter Komplex) und die weitere Abreaktion zu den Endprodukten, wobei der eingesetzte Abgaskatalysator: Katalysator zurückgebildet wird. In der Praxis werden allerdings Katalysatoren durch Nebenreaktionen nach einiger Zeit des Gebrauchs unwirksam, da sie durch Nebenprodukte blockiert werden. Die folgende Grafik (Arrhenius-Diagramm) ergibt Abgaskatalysator: sich als Schnitt durch die Energie-Hyperpotentialfläche. Als Beispiel kann die katalytische Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff angeführt werden. Diese Abgaskatalysator: Verbrennung ist thermodynamisch so günstig, dass sie prinzipiell \"freiwillig\" ablaufen sollte, jedoch aufgrund der bei Zimmertemperatur hohen Aktivierungsenergie so stark gehemmt ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeit sehr gering ist. Abgaskatalysator: Die Anwesenheit eines Platinkatalysators kann diese Aktivierungsenergie derart erniedrigen, dass diese Reaktion dann hinreichend schnell auch bei niedrigeren Temperaturen abläuft. Eine Anwendung dafür war das döbereinersche Feuerzeug Bei Gleichgewichtsreaktionen verändert ein Katalysator Hin- und Rückreaktion auf die gleiche Weise, so dass die Lage des Gleichgewichts nicht verändert wird, das Gleichgewicht sich aber schneller einstellt. Neben der Bedeutung von Katalysatoren in der chemischen Industrie sind sie für das Leben (Photosynthese, Atmung, Nahrungsmittelverwertung usw.) notwendig. Man Abgaskatalysator: spricht dabei anstatt von Katalysatoren von Enzymen. Die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch positive Katalysatoren ist bei chemischen Reaktionen aber auch von großer kommerzieller Bedeutung. Hier begünstigt das Vorhandensein eines Stoffes Abgaskatalysator: (Katalysator) eine andere chemische Reaktion wesentlich, ohne dass der Stoff selbst dabei verbraucht wird. Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die Abgaskatalysator: jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer erfolgen. Deshalb sind Katalysatoren heutzutage kaum noch aus der Chemietechnik wegzudenken. Derzeit wird geschätzt, dass etwa 80% aller chemischen Erzeugnisse eine katalytische Stufe in ihrer Wertschöpfungskette durchlaufen. Entstehen bei Reaktionen mehrere Produkte, spielt die Abgaskatalysator: Selektivität eines Katalysators eine sehr wichtige Rolle. Dabei wird der Katalysator so gewählt, dass nur diejenige Reaktion beschleunigt wird, die das erwünschte Abgaskatalysator: Produkt erzielt. Verunreinigungen durch Nebenprodukte werden so weitgehend vermieden. Aus der Sicht des Umweltschutzes wird durch den Einsatz von Abgaskatalysator: selektiven und aktiven Katalysatoren in der Regel Energie eingespart und die Menge an Nebenprodukten reduziert. Nicht minder bedeutsam für unsere Umwelt ist aber auch die Abgasnachbehandlung in der industriellen Produktion oder in Elektrizitätswerken. Abgaskatalysator: Im Falle der abgaskatalytischen Verfahren (z.B. in den PKW) werden unvermeidbare, gefährliche Substanzen in weniger gefährliche umgesetzt. Beispiel: Im Autoabgaskatalysator reagiert das Atemgift Kohlenstoffmonoxid (CO) mit Sauerstoff (O2) zum Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2). Auch die Inhibitoren haben in der chemischen Abgaskatalysator: Industrie eine gewisse Bedeutung erlangt, indem sie eingesetzt werden, wenn eine normalerweise explosionsartig verlaufende Reaktion industriell genutzt und kontrolliert werden muss (Beispiel: die Polymerisation von Metaldehyd aus Acetaldehyd) Abgaskatalysator: oder wenn ein bestimmtes Nebenprodukt ausgeschlossen werden soll. Auch im Bereich des Rostschutzes werden Inhibitoren eingesetzt. Cereisen (Ammoniaksynthese, Raney-Nickel, Platin, Rhodium Palladium, Vanadiumpentoxid und Samariumoxid katalysiert die Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol. fahrzeugkatalysator: Bekanntestes Beispiel ist dieser Katalysator im Automobil zur Reduktion der Abgasemission, bei dem das ganze Gerät nach dem chemisch wirksamen Prinzip benannt ist. Der Fahrzeugkatalysator, auch kurz Katalysator (ugs. Kat), dient der Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Durch den Katalysator können Abgaskatalysator: die Schadstoffemissionen im Abgas drastisch reduziert werden. Im allgemeinen wird die gesamte Anlage zur Abgasnachbehandlung als Fahrzeugkatalysator bezeichnet. Der Fahrzeugkatalysator besteht meist aus mehreren Komponenten. Als Träger Abgaskatalysator: dient ein temperaturstabiler Keramikkern (Monolith) oder Metallträger Metalith, der mit einer Vielzahl dünnwandiger Kanäle durchzogen ist. Auf dem Träger befindet sich der sog. Washcoat Er besteht aus sehr porösem Aluminiumoxyd (Al2O3) und Abgaskatalysator: dient zur Erhöhung der Oberfläche. Durch die hohe Oberflächenrauhigkeit wird eine sehr große Oberfläche realisiert (bis zu mehreren tausend Quadratmetern). In der Washcoat sind die katalytisch aktiven Edelmetalle eingelagert. Bei modernen Abgaskatalysatoren besteht dies aus den Edelmetallen Platin, Rhodium und Palladium. Der Abgaskatalysator: keramische Träger ist mithilfe spezieller Matten in einem metallischen Gehäuse, dem sog. Canning, gelagert. Das Canning ist fest im Abgasstrang des Fahrzeuges verbaut und besitzt z.T. weitere Anschlußmöglichkeiten für z.B. Lambdasonden oder Abgaskatalysator: Thermoelemente. Die Wirkungsweise beruht auf katalytischen Reaktionen. Die Aufgabe des Fahrzeugkatalysators ist die chemische Umsetzung der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe (HmCn), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Abgaskatalysator: Stickoxide (NOx) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser(H2O) und Stickstoff (N2) durch Oxidation bzw. Reduktion. Je nach Betriebspunkt des Motors können Abgaskatalysator: Konvertierungsraten nahe 100% erreicht werden. Je stärker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad ? einer Wärmekraftmaschine ist stets Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen jedoch zunehmend mehr Stickoxide NOx, die Abgaskatalysator: beispielsweise maßgeblich an der Bildung von Sommersmog beteiligt sind. Drei-Wege-Katalysator Bei einem Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt. Voraussetzung dafür ist ein Abgaskatalysator: konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch im stöchiometrischen Verhältnis (?=1) von 14,7 g Luft pro Gramm Benzin-Kraftstoff. Für Ethanol-Kraftstoff gilt das Verhältnis 9:1. Diese Art des Katalysators kann nur bei Fahrzeugen mit Ottomotor und Lambdaregelung Abgaskatalysator: eingesetzt werden. Düngeeffekt In einer Ende abgeschlossenen Untersuchung an 30 Fahrzeugtypen vom TÜV und Botanikern des Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen von der Universität Bonn ergab sich, daß Drei-Wege-Katalysatoren Abgaskatalysator: in hohem Maße Stickstoff in Form von Ammoniak freisetzen. Der Anteil von Ammoniak im Leerlauf ergab bis zu 25 ppm (parts per million) und bei höheren Drehzahlen steigen die Werte je nach Fahrzeugtyp auf das Drei- bis Zehnfache. Die Messung Abgaskatalysator: erfolgte an der Auspuffspitze. Die Kraftfahrzeuge verteilen den Ammoniak als feinverteilte Gülle entlang der Straßen und in die Städte. Dieser ungewollten Düngung Abgaskatalysator: folgen stickstoffliebende Moose und Flechten. Schon vor zehn Jahren ergaben Luftmessungen in Schweizer Tunneln immer höhere Ammoniakwerte. Die selbst von den Forschern nicht erwarteten Ergebnisse klären das bislang unverstandene Auftreten vom Abgaskatalysator: Moos Orthotrichum diaphanum an Mauern und Bäumen in Städten zur selben Zeit. Ursprünglich war das Moos nur an Betoneinfassungen von landwirtschaftlichen Misthaufen zu finden. Die Düngung lockt auch Flechten wie zum Beispiel die Gelbflechte Abgaskatalysator: entlang der Verkehrsnetze in die Städte. Die Gelbflechte war früher nur im landwirtschaftlichen Biotop zu finden, vorzugsweise auf den Dächern der Viehställe Ammoniak verbindet sich in der Luft mit Stickoxyden zum Düngemittel Ammoniumnitrat. Abgaskatalysator: Gelangt dieses mittels Regen in den Boden, so sammelt sich die Verbindung im Wurzelbereich an und erreicht für viele Pflanzen tödliche Konzentrationen. Das freigesetzte Ammoniumnitrat wird fünfmal so gern aufgenommen wie das Abgaskatalysator: herausgefilterte Stickoxyd, ist also um ein Vielfaches wirksamer. Zwar besteht nach aktueller Sachlage keine direkte Gefährdung für die menschliche Gesundheit, Abgaskatalysator: doch wirkt sich die Überdüngungb auf die Natur aus, welche sichtlich verarmt. So kommt es zur Verdrängung der üblichen Moose und Flechten, welche wegen der starken Konzentration von Ammoniak eingehen. Dasselbe Schicksal erleiden auch Abgaskatalysator: Blütenpflanzen, die im Gegensatz zu Moosen und Flechten nicht dazu in der Lage sind, den Ammoniak direkt aus der Luft zu entnehmen, sondern über das Wurzelwerk Nährstoffe aufnehmen. Der Einsatz des Fahrzeugkatalysators wurde Pflicht, um Abgaskatalysator: sauren Regen und das damit einhergehende Waldsterben sowie die globalen Erwärmung durch Stickstoffemissionen zu reduzieren. Im Gegensatz zum sauren Regen sind Bäume nicht gefährdet, ebensowenig stickstoffliebende Pflanzen wie zum Abgaskatalysator: Beispiel Brennessel und Brombeere). In Deutschland wird 2005, im Unterschied zum Beispiel zu Holland, die Ammoniakkonzentration nicht gemessen. Diesel-Oxidationskatalysator Dieselmotoren verbrennen ein mageres Gemisch (Lambda>1), d.h. im Abgas sind hohe Sauerstoffkonzentrationen vorhanden. Daher ist die Reduktion der NOx nicht möglich. Die NOx-Minimierung muß daher durch innermotorische Maßnahmen, also die gezielte Beeinflussung der Verbrennung, erfolgen. Aufgrund der deutlich niedrigeren Abgastemperaturen im Vergleich zum Ottomotor sind D. oft nahe am Abgaskrümmer verbaut. Der Washcoat enthält nur Platin. NOx-Speicherkatalysator Moderne Magermixmotoren arbeiten in einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und HmCn ist im Sauerstoffüberschuß (Lambda > 1) analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch müssen Stickoxide (NOx) Abgaskatalysator: zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem neutralen bis fetten Abgasgemisch. Diese neuen Motoren benötigen daher eine weiterentwickelte Art von Katalysatoren und besitzen zusätzlich Bausteine, die eine kartuschenähnliche Speicherung von Stickoxiden ermöglichen. Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, so wird seitens der Motorelektronik kurzfristig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt. In Abgaskatalysator: diesem kurzen \"fetten\" Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es auch möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu minimieren und gültige Grenzwerte Abgaskatalysator: der Euro-Normen einzuhalten. Um diese \"Zwischenspeicherung\" der Stickstoffoxide zu erreichen werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Abgaskatalysator: Platin (Pt) und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium (Ba) ist, aufgebracht. In der mageren, d.h. sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der katalytischen Wirkung des Abgaskatalysator: Edelmetallkatalysators aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten, wie z.B. BaNO3, im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch das regelmäßige kurzeitige \"Anfetten\" laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzte Richtung Abgaskatalysator: ab, wird dadurch NOx wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie HC (unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe) oder CO weiter reduziert. Weiterentwicklung Der Schwerpunkt heutiger Forschung liegt insbesondere in der Verkürzung der Kaltlaufphase, da ein Großteil der Gesamtschadstoffemission innerhalb der ersten drei Minuten nach Motorstart Abgaskatalysator: entsteht. In dieser Zeit ist der Katalysator aufgrund der fehlenden Betriebstemperatur von 250 - 300 °C fast funktionslos. Die katalytische Effektivität in der Abgaskatalysator: Kaltstartphase kann durch eine Kombination folgender Maßnahmen deutlich gesteigert werden. möglichst motornahe Katalysatormontage (z.B. direkt hinter dem Abgaskrümmer) Verwendung metallischer Träger im Katalysator (Katalysator heizt schneller Abgaskatalysator: auf) elektrisch beheizter Katalysator elektrisch beheizbare Lambdasonde (schneller emissionsoptimierten Motorbetrieb) Als Nachrüstlösung (primär für ältere Fahrzeuge) bieten sich sog. Kaltlaufregler an. Neben dem Effekt einer besseren Umweltverträglichkeit in der Kaltlaufphase ist damit im Regelfall auch eine Einstufung in Abgaskatalysator: eine bessere Schadstoffklasse verbunden, was eine teils deutliche Ersparnis bei der Kfz-Steuer zur Folge haben kann. Abgasgesetzgebung In Europa schrieb zuerst Österreich ab 1987 für alle Neuwagen über 1500 cm³ und ab 1988auch für alle anderen aus Abgaskatalysator: Umweltschutzgründen Katalysatoren vor. Andere Länder zogen bald nach. Ende 1984 beschloss auch Deutschland den Einbau von Katalysatoren ab 1989 zur Auflage zu Abgaskatalysator: machen. Im Zuge der Verbreitung von Fahrzeugkatalysatoren wurde vor allem in der Nähe von Autobahnen eine zunehmende Platinkonzentration in der Umwelt festgestellt. Über gesundheitliche Folgen des teilweise 70-fach höheren Konzentration liegen Abgaskatalysator: noch keine gesicherten Erkenntnisse vor. Am Ende seiner Lebenszeit muß der Katalysator als Sondermüll entsorgt werden. Ein Anfangsproblem lag nicht nur in dem Abgaskatalysator: erbitterten Widerstand von Teilen der Automobilindustrie, sondern auch in der Versorgung mit bleifreiem Benzin.

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