Katalysator

Ein Katalysator ist eine Stoff,der eine chemische Reaktion in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst.Die geschieht durch herauf- oder herabsetzung der Aktivierungsenergie.Katalysatoren,die die Aktivierungsenergie herabsetzen werden als positive Katalysatoren bezeichnet,welche die die Aktivierungsenergie heraufsetzen als Inhibtoren. Des weiteren gibt es noch Biokatalysatoren.

Weitere Fachbegriffe zum Thema Katalysator: Autokatalyse,homogene Katalyse,heterogene Katalyse undKatalysatorgift

Chemie

Die Herabsetzung der Aktivierungsenergie durch positive Katalysatoren ist bei chemischen Reaktionen von großer kommerzieller Bedeutung. Hier begünstigt das Vorhandensein eines Stoffes (Katalysator) eine andere chemische Reaktion wesentlich, ohne dass der Stoff selbst dabei letztlich verbraucht wird(Außnahme:Autokatalysator). Ohne die Anwesenheit des Katalysators würde die jeweilige chemische Reaktion sehr viel langsamer erfolgen. Katalysatoren sind nicht nur in der chemischen Industrie von Bedeutung.Die Inhibtoren haben dagegen keine kommerzielle Bedeutung.

Beispiele für Katalysatoren

Cereisen(Ammoniakynthese), Platin und Divandadiumpentoxid

Fahrzeugkatalysator

Bekanntestes Beispiel ist der Katalysator im Automobil zur Reduktion der Abgasemission, bei dem das ganze Gerät nach der chemisch wirksamen Substanz benannt ist. Der Fahrzeugkatalysator, kurz: Kat, besteht aus einem Gehäuse und einem temperaturstabilen Keramikkern, der durch eine hohe Oberflächenrauigkeit eine sehr große Oberfläche (mehrere tausend Quadratmeter) aufweist. Auf dieser Trägerkeramik (meist Aliminiumoxid und Ceroxide zur Sauerstoffspeicherung) befindet sich die eigentliche Katalysatorsubstanz, meist eine Legierung aus den Elementen Platin, Rhodium und Palladium. Diese ermöglichen eine ausreichend schnelle Umsetzung von bis zu 90% der Verbrennungsschadstoffe Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxyde zu Kohlendioxyd, Wasser und Stickstoff.

Je stärker der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren optimiert wird, desto höher ist die Verbrennungstemperatur, denn der Wirkungsgrad η einer Wärmekraftmaschine ist stets kleiner (1 - T_min/T_max). Bei hohen Verbrennungstemperaturen entstehen jedoch zunehmend mehr Stickoxyde NO_x, die beispielsweise maßgeblich an der Bildung von Sommersmog beteiligt sind.

Bei einem so genannten Dreiwegekatalysator findet die Umwandlung aller drei Schadstoffkomponenten (CO, H_mC_n, NO_x) parallel zueinander ab. Voraussetzung ist konstantes Luft-Kraftstoff-Gemisch (stöchiometrisches Verhältnis, Lambda=1) von 14 g Luft pro Gramm Kraftstoff, das im Fahrzeug durch die Lambdasonde sichergestellt wird. Diese Katalysatoren wirken zugleich als Oxydationskatalysatoren (CO, H_mC_n zu CO₂, H₂0) und Reduktionskatalysatoren (NO_x zu N₂, O₂).

Moderne Magermixmotoren (FSI / GDI) arbeitem in einem Sauerstoffüberschuss zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades. Herkömmliche Katalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Die Oxidation von CO und H_mC_n ist im Sauerstoffüberschuß (Lambda < 1) analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch müssen Stickoxide (NOx) zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion gelingt nur in einem neutralen bis fetten Abgasgmisch. 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 diesem kurzen "fetten" Zyklus werden die im Katalysator zwischengespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert und damit der Katalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch diesen Kniff ist es auch möglich, die Schadstoffemissionen sparsamer Magermixmotoren zu minimieren und gültige Grenzwerte der Euro-Normen einzuhalten.

Im Zug der Verbreitung von Fahrzeugkatalysatoren wird vor allem in der Nähe von Autobahnen eine zunehmende Platinkonzentration in der Umwelt festgestellt (das 70-fache des natürlichen Wertes), über deren eventuelle Folgen noch keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen.

Externe Weblinks

• http://www.uni-karlsruhe.de/~presse/Pressespiegel/1998/600.html - Platin- und Palladiumaufkommen in der Umwelt durch Katalysatoreinführung
• http://www.verwaltung.uni-wuppertal.de/presse/output/okt98/katalysator.html - Gesundheitsrisiken beim Katalysatorrecycling.
• http://www.verwaltung.uni-wuppertal.de/presse/output/okt98/lachgas.html - Erhöhung der Lachgas-Emmission (N₂O) bei Stickoxydreduktion, beispielsweise durch Katalysatoren.