Katalysator - Einführung

Der Firecat® Katalysator
Was ist Katalyse?
Katalyse ist ein Prozess bei der die Geschwindigkeit einer chemischen
Reaktion durch eine bestimmte Substanz verändert wird. Diese
Substanz wird Katalysator genannt. Im Gegensatz zu anderen
Reagenzien, die an einer chemischen Reaktion teilnehmen, wird der
Katalysator nicht von der Reaktion selbst aufgelöst. Doch obwohl
Katalysatoren nicht direkt durch die Reaktion aufgelöst werden, können
sie durch einen sekundären Prozess gebremst, deaktiviert oder zerstört
werden. Bei der heterogenen Katalyse ist etwa Verkoken ein typischer
sekundärer Prozess, bei welchem der Katalysator von polymeren
Nebenprodukten bedeckt wird.
Katalysatoren verändern nicht das Ausmaß einer Reaktion: sie haben
keinen Effekt auf das chemische Gleichgewicht einer Reaktion, da
sowohl die Geschwindigkeit der Reaktion als auch der Gegenreaktion
verändert werden (siehe Thermodynamik). Die Tatsache, dass ein
Katalysator nicht das Gleichgewicht verändert, ist eine Konsequenz des
zweiten Hauptsatzes der Wärmelehre. Nehmen wir an, es gäbe einen
Katalysator, der das Gleichgewicht veränderte. Der Einbau des
Katalysators in das System würde bewirken, dass sich das
Gleichgewicht in Richtung eines neuen verschieben; also Energie
erzeugen würde. Die Erzeugung von Energie wäre zwangsläufig, da
Reaktionen, wenn – und nur wenn – Gibbssche freie Energie produziert
wird, spontan sind. Und wenn es keine Energiebarriere gibt, braucht man
auch keinen Katalysator. Die Entfernung des Katalysators anschließend
würde ebenfalls im Gewinn von Energie resultieren, das andauernde
Ein- und Ausbauen des Katalysators würde also wie ein Kraftwerk
wirken. Ein Katalysator, der das Gleichgewicht verändern könnte, wäre
demnach ein Perpetuum Mobile erster Art, ein Widerspruch zu den
Gesetzen der Wärmelehre. (http://de.wikipedia.org/wiki/Katalyse)
Auch wenn Katalysatoren in unzähligen Gebieten in der Chemie,
Nahrungsverarbeitung,
Malerei,
Beschichtung,
Laminierung,
Emissionsreduktion, etc. verwendet werden, interessieren wir uns an
dieser Stelle nur für die kleine Gruppe der sogenannten
„Oxidationskatalysatoren“.
Oxidationskatalyse funktioniert wie folgt:
Zunächst wird aus O2 2O, welches anschließend in der Grundierung
instabile chemische Reagenzien mit Edelmetallpartikeln bildet. Konkret
handelt es sich um Palladium (Pd), Platin (Pt) und Rhodium (Rh).
Auf diese Weise wird verbleibender Sauerstoff, der andernfalls einfach
durch den Kamin entweichen würde, zurückgehalten und bildet ein
Umfeld mit zusätzlichem Sauerstoff; heiße, sehr reaktionsfreudige, freie
Sauerstoffradikale.
Da die molekularen Kräfte zwischen O und Edelmetallen sehr gering
sind (was auch der Grund dafür ist, dass sie „Edel“ sind), kann sich O
auch sehr leicht vom Metall trennen und stärker reagierende
Verbindungen wie CO eingehen:
Andererseits: Da die Oxidation von freien Sauerstoffradikalen eine Folge
ihrer Effizienz ist, ist verständlich, warum Edelmetallkatalysatoren mehr
oder weniger jede chemische “brennbare” Verbindung oxidieren können;
wenn auch bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Temperaturen…
… wodurch CO2 und H2O (Dampf) als Abgase zurückbleiben.
Nachdem wir jetzt das Thema Effizienz hinter uns gebracht haben,
wollen wir uns ansehen, wie der Katalysator aufgebaut ist. Wir
verwenden mit Edelmetallpartikeln überzogenes Cordierit als Substrat.
Cordierit wird charakterisiert durch
 Hohe Porösität: wodurch es sich leicht überziehen und damit die
Oberfläche so rau wie möglich gestalten lässt
 Geringe thermische Ausdehnung: Cordierit dehnt sich unter Hitze
kaum aus, wodurch es sehr stabil ist und die Grundierung lange
haftet
Doch auch die Oberfläche des bestgeeignetsten keramischen
Trägermaterials ist nicht sonderlich hoch. Eine Möglichkeit, diese zu
erhöhen, ist die Form (Honeycombs), welche durch ein
Kaltpressverfahren erlangt wird. Die Struktur gewöhnlicher Keramik lässt
sich übrigens sehr gut mit der glatten Seite einer Duschkabinentür
vergleichen. Spritzt man Wasser auf eine ebene, glatte Glasplatte,
breitet sich das Wasser auf wenige große Lacken aus. Das liegt an der
geringen Oberfläche. Wir wollen dagegen eine möglichst hohe
Oberfläche, vergleichbar der rauen Seite der Duschkabine. Wird Wasser
auf diese gespritzt, breitet es sich weit aus und bedeckt ein großes
Gebiet. Wir erreichen diesen Effekt durch die Verwendung einer
Grundierung.
Das am häufigsten verwendete Material hierfür ist
Gamma-Aluminium. Aluminium verfügt über viele Phasen, doch die
höchste Oberfläche hat es in der Gammaphase. Einer der Gründe,
warum man den Katalysator von direktem Flammkontakt fern und die
Temperatur unter 815°C halten sollte, ist, dass sich Gamma-Aluminium
ab dieser Temperatur in Alpha-Aluminium verwandelt. Damit würde es
einen großen Teil seiner Oberfläche und katalytische Aktivität verlieren.
Das Gamma-Aluminium wird als Schlicker angebracht und später durch
große Hitze pulverisiert. Dieser Vorgang erhöht die Oberfläche enorm:
ein so überzogenes Substrat verfügt über die 2000-fache Oberfläche
eines unbehandelten Grundgerüsts und ist damit bereit für die
Verwendung als Katalysator.
Die meisten herkömmlichen Katalysatoren sind aus der Gruppe der
Übergangsmetalle. Darin sind sowohl Edel- als auch gewöhnliche
Metalle. Unsere Wahl war die Verwendung der Edelmetalle Platin und
Palladium, da diese exzellente Katalysatoren zur Oxidation sowie
äußerst robust und bei dieser Anwendung langlebig sind. Die Metalle
werden einer Lösung beigefügt und finden anschließend auf
verschiedene Weise in die Grundierung eingefügt, unter anderem mittels
Sprüh- und Tauschbeschichtungsverfahren. Die Technik ist weniger
wichtig als die Einschränkungen, um gewährleisten dass das Gewicht
des Metalls weder zu hoch noch zu leicht und überall etwa gleich ist. Zu
viel Metall ist Geldverschwendung ,
da
der
diffusions-kontrollierte
Prozess der katalytischen Oxidation wie jede Verbrennung durch die
relative Faktoren Zeit, Temperatur und Unregelmäßigkeit bestimmt wird.
Wird dagegen die richtige Menge an Metall verwendet, beeinflusst
zusätzliches Metall die Effizienz weniger als die Lebensdauer, speziell
bei falscher Anwendung. Nach der Anwendung werden die mit Metall
überzogenen Teile erneut kalziniert, um das Metall an der Oberfläche zu
fixieren.
Cordierit mit Grundierung und Edelmetallpartikeln.
Rot-glühender Katalysator in Aktion