Stickoxide im Visier: Wie Zeolith-Katalysatoren effektiv arbeiten
Forschende des Paul Scherrer Instituts haben herausgefunden, wie Zeolith-Katalysatoren giftige Stickoxide aus industriellen Abgasen entfernen. Die komplexe Struktur der Zeolithe mit nanometergroßen Poren ermöglicht es einzelnen Eisenatomen, ihre katalytische Funktion auszuüben. Die Erkenntnisse könnten zur Verbesserung der Katalysatoren beitragen.
Bei industriellen Prozessen entstehen unterschiedliche Abgase. Viele sind umweltschädlich.
Foto: PantherMedia / wen hui wang
In vielen industriellen Prozessen entstehen Abgase, die gesundheits- und umweltschädliche Stickoxide wie Stickstoffmonoxid (NO) und Distickstoffmonoxid (N2O, auch bekannt als Lachgas) enthalten. Um diese gefährlichen Stoffe zu neutralisieren, setzen Unternehmen spezielle Katalysatoren ein, die auf sogenannten Zeolithen basieren. Doch wie genau funktionieren diese Katalysatoren? Dieser Frage sind Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Chemieunternehmen CASALE SA nachgegangen. Ihre Erkenntnisse, die in der Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht wurden, liefern wichtige Hinweise für die Weiterentwicklung der Stickoxid-Katalysatoren.
Zeolithe sind gerüstartige Verbindungen aus Aluminium-, Sauerstoff- und Siliziumatomen, die sowohl natürlich vorkommen als auch synthetisch hergestellt werden können. Sie dienen als Grundlage für viele Katalysatoren in der chemischen Industrie. Um Stickoxide umzuwandeln, werden dem Zeolithgerüst zusätzlich Eisenatome hinzugefügt. Doch wie genau diese Eisenatome in der komplexen Struktur der Zeolithe angeordnet sind und welche Rolle sie beim Entfernen der Stickoxide spielen, war bisher nicht vollständig geklärt. „Das Eisen kann sich in Form einzelner Atome in die kleinen Zwischenräume des Zeoliths setzen oder als zwei-, mehr- oder vielatomige Bündel die etwas größeren Hohlräume des regelmäßigen Gitters besetzen“, erklärt Filippo Buttignol, Erstautor der Studie und Doktorand in der Forschungsgruppe von Davide Ferri am PSI.
Auf der Spur der Stickoxide: Spektroskopie am PSI
Um herauszufinden, welche der vielen möglichen Eisen-Spezies tatsächlich für die katalytische Umwandlung der Stickoxide verantwortlich ist, führten die PSI-Forschenden drei verschiedene spektroskopische Experimente durch. Zunächst nutzten sie die Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) am PSI für die sogenannte Röntgenabsorptionsspektroskopie, mit der sie den gesamten katalytischen Effekt aller Eisen-Spezies messen konnten. In Zusammenarbeit mit der ETH Zürich setzten sie anschließend die Elektronenspinresonanz ein, um den Beitrag der unterschiedlichen Spezies aufzuschlüsseln. Schließlich ermöglichte die Infrarotspektroskopie am PSI, den molekularen Aspekt der einzelnen Eisenspezies zu ermitteln. Jede Methode lieferte ein wichtiges Puzzleteil zur Aufklärung des katalytischen Mechanismus.
Die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchungen zeigten, dass die Katalyse hauptsächlich an einzelnen Eisenatomen stattfindet, die in zwei bestimmten Arten von Zeolithporen sitzen. Dabei agieren jeweils zwei Eisenatome in benachbarten Poren zusammen: Eines, das von einer quadratischen Anordnung von Sauerstoffatomen umgeben ist und an dem die chemische Reaktion von N2O abläuft, kommuniziert mit einem weiteren Eisenatom, das sich in einer tetraederförmigen Sauerstoffumgebung befindet und an dem NO reagiert. „Nur in genau dieser Konstellation sehen wir Beiträge des Eisens zur chemischen Beseitigung der beiden Gase“, erklärt Buttignol. An diesen Eisenatomen findet die typische Redoxreaktion der Katalyse statt, bei der Elektronen abgegeben und wieder aufgenommen werden.
Stickoxide effektiv bekämpfen: Optimierte Katalysatoren
Die gewonnenen Erkenntnisse über die genaue Funktionsweise der Zeolith-Katalysatoren bei der Entfernung von Stickoxiden eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung optimierter Katalysatoren. „Wenn man weiß, wo genau die Reaktion stattfindet, lässt sich die Herstellung von Katalysatoren entsprechend steuern“, fasst Davide Ferri, Leiter der Forschungsgruppe Angewandte Katalyse und Spektroskopie am PSI, die Bedeutung der Studie zusammen. Eine effektive Beseitigung der giftigen und umweltschädlichen Stickoxide aus industriellen Abgasen ist enorm wichtig. Stickstoffmonoxid (NO) trägt zur Bildung von saurem Regen bei, während Distickstoffmonoxid (N2O) ein stark klimaaktives Gas ist, dessen Treibhauseffekt pro Molekül knapp 300-mal stärker ist als der von CO2.
Die Studie des PSI in Zusammenarbeit mit CASALE SA liefert somit Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung von Stickoxid-Katalysatoren. Durch ein tieferes Verständnis der katalytischen Prozesse auf atomarer Ebene können die Katalysatoren gezielt verbessert werden, um eine noch effektivere Umwandlung der schädlichen Stickoxide zu erreichen. Das könnte dazu beitragen, die Umweltbelastung durch industrielle Abgase zu verringern und die Luftqualität zu verbessern. Die Forschungsergebnisse heben zudem die Bedeutung spektroskopischer Methoden bei der Untersuchung komplexer Materialien wie Zeolithe und deren Anwendung in der Katalyse hervor. Weitere Studien dieser Art könnten dazu beitragen, die Effizienz von Katalysatoren in verschiedenen industriellen Prozessen zu erhöhen.
Stickoxide im Fokus der Forschung
Die Untersuchung der Wirkweise von Zeolith-Katalysatoren beim Entfernen von Stickoxiden ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Industrie. Durch die gezielte Beseitigung der umweltschädlichen Gase können die negativen Auswirkungen industrieller Abläufe auf Menschen und Umwelt reduziert werden. Die Forschungsarbeit des PSI und seiner Partner trägt dazu bei, die Entwicklung effizienter Katalysatoren voranzutreiben. Gleichzeitig wirft die Studie neue Fragen auf und eröffnet Perspektiven für weiteren Untersuchungen. So könnten sich zukünftige Forschungen beispielsweise damit beschäftigen, wie die Struktur der Zeolithe noch weiter verbessert werden kann, um die katalytische Aktivität der Eisenatome zu steigern und damit die Umwandlung von Stickoxiden noch effizienter zu machen.
