Katalysator pakt vervuilende koude start van de auto aan

Waar automotoren tot pakweg vijftig jaar geleden hun uitlaatgassen gewoon in de omgeving loosden, komen de uitlaatgassen tegenwoordig in iedere uitlaat een katalysator tegen. De zogenoemde driewegkatalysator zet het giftige koolstofmonoxide (CO) om in het minder schadelijke koolstofdioxide, en het stikstofoxide (NO) in stikstof. De resten brandstof verbranden alsnog.

Toch heeft de moderne autokatalysator moeite met een ‘koude start’. De chemische omzetting is bijzonder efficiënt en vrijwel volledig bij een lang draaiende motor, waarbij het uitlaatsysteem een temperatuur bereikt van honderden graden Celsius. Maar bij een net gestarte motor doet de katalysator vrijwel niets, behalve de giftige stoffen gewoon doorlaten.

Voor de eerste pakweg vijf ‘vieze’ minuten hebben onderzoekers van onder andere de Technische Universiteit Eindhoven nu wellicht een oplossing. Ze verbeterden het recept voor het maken van een autokatalysator die werkt op basis van de actieve stof platina. Minuscule nanodeeltjes van platina op een keramisch oppervlak van ceriumoxide zetten koolstofmonoxide al om bij een temperatuur van pakweg zestig graden Celsius. De resultaten van het onderzoek zijn afgelopen week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Basisrecept

Het basisrecept voor de bestaande driewegkatalysator is relatief simpel. Men neme een rooster van het keramische materiaal ceriumoxide. Op het oppervlak van dat rooster komt een zeer poreuze metalen laag, die voor enkele procenten bestaat uit platina, maar ook uit palladium en/of rodium. Uitlaatgassen stromen langs de poreuze metaallaag, waar de chemische reacties op een groot oppervlak plaatsvinden.

Het keramische ceriumoxide ‘activeert’ zuurstof, zodat het een reactie aangaat met de giftige stoffen. Die reactie gebeurt met behulp van het platina, palladium of rodium. Het koolstofmonoxide (CO) neemt een zuurstofatoom op en wordt CO₂. Het stikstofoxide (NO) wordt omgezet tot onder andere N₂. En dat gaat dus erg snel wanneer de temperatuur hoog is.

Voor hun lage temperatuur-katalysator benaderen de onderzoekers het ontwerp anders. Ze vervangen de poreuze metalen laag door losse atomen van platina, die bij zeer hoge temperatuur (zo’n 800 graden Celsius) rechtstreeks op het oppervlak van het ceriumoxide binden. Door het materiaal in een vervolgstap andermaal te verhitten tot een wat lagere temperatuur ontstaan er op het oppervlak platinadeeltjes van ongeveer een nanometer groot.

Het blijkt een recept voor een katalysator die dezelfde reacties aanjaagt als een normale katalysator, maar bij een veel lagere temperatuur. Bij kamertemperatuur is er een gedeeltelijke omzetting van koolstofmonoxide, bij zestig graden Celsius is de omzetting vrijwel even goed als bij bestaande katalysatoren.

Het is overigens niet duidelijk hoe deze chemische omzetting op moleculair niveau werkt, aldus Emiel Hensen, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven en betrokken bij het onderzoek. “Ondanks dat we de reacties in een autokatalysator vaak als voorbeeld in de colleges op de universiteiten gebruiken, weten we nog steeds niet precies hoe dat zich op moleculair niveau voltrekt.”