Wie Platin für die Katalyse verwendet wird

Platin ist eines der wirksamsten und am häufigsten verwendeten katalytischen Materialien in der modernen Technik. Von Brennstoffzellen und chemischen Anlagen bis hin zu Abgasreinigungssystemen für Kraftfahrzeuge ermöglicht Platin schnellere und effizientere Reaktionen unter milderen Bedingungen, als es sonst möglich wäre. Um zu verstehen, warum Platin so wertvoll ist, ist es hilfreich, sich anzusehen, wie es auf atomarer Ebene funktioniert, wie es in Katalysatoren eingesetzt wird und wo es sonst noch eine wichtige industrielle Rolle spielt.

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Wie funktioniert ein Platin-Katalysator?

Wenn Sie sich mit Elektrolyse auskennen, ist es hilfreich, sich eine Brennstoffzelle als umgekehrte Elektrolyse vorzustellen.

Bei der Wasserelektrolyse wird eine Spannung angelegt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Theoretisch ist eine Mindestspannung erforderlich, um die Reaktion in Gang zu setzen. In der Praxis benötigt man jedoch möglicherweise mehr als die Mindestspannung. Diese zusätzliche Spannung wird als "Überspannung" bezeichnet und ist ein Maß für die Energieverluste, die auftreten, weil die Reaktion an der Elektrodenoberfläche nicht ideal verläuft.

Platin ist etwas Besonderes, da seine Überspannung für Wasserstoffreaktionen sehr nahe bei Null liegt. Das bedeutet, dass Wasserstoffreaktionen auf einer Platinoberfläche sehr effizient und mit sehr geringem Energieverlust ablaufen. Aus diesem Grund ist Platin in Wasserstoff-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren so wertvoll.

Eine etwas detailliertere Erklärung für die Nützlichkeit von Platin hat damit zu tun, wie Platin mit Molekülen auf seiner Oberfläche wechselwirkt.

Wasserstoffgas (H₂) zum Beispiel reagiert im freien Raum bei Raumtemperatur nicht leicht. Aber wenn H₂-Moleküle mit einer Platinoberfläche in Kontakt kommen, passiert etwas Wichtiges:

• Das Wasserstoffmolekül adsorbiert (haftet) an der Platinoberfläche.
• Die H-H-Bindung wird schwächer und bricht.
• Es bilden sich zwei neue Pt-H-Bindungen.
• Jedes Wasserstoffatom kann dann leichter ein Elektron verlieren und Protonen (H⁺) bilden.

Der Schlüssel ist das Gleichgewicht. Platin bindet Wasserstoff stark genug, um die H-H-Bindung zu brechen, aber nicht so stark, dass die Wasserstoffatome dauerhaft gebunden bleiben. Metalle, die Wasserstoff zu schwach binden, können ihn nicht effizient aktivieren. Metalle, die ihn zu stark binden, halten ihn fest und verlangsamen die Reaktion. Platin befindet sich in diesem Gleichgewicht in der Nähe des "Sweet Spot", was es besonders effektiv macht.

Platin gehört zur Gruppe der Platingruppenelemente (PGE), zu denen auch Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium und Osmium gehören. Diese Metalle haben mehrere wichtige Eigenschaften gemeinsam:

• Hoher Schmelzpunkt
• Hohe Korrosionsbeständigkeit
• Mehrere Oxidationsstufen
• Hohes Adsorptionsvermögen für Gase

Wie Platin-Katalysatoren üblicherweise in Katalysatoren verwendet werden

Eine der bekanntesten und umfangreichsten Anwendungen von Platinkatalysatoren ist die Verwendung in Katalysatoren von Kraftfahrzeugen.

Der Katalysator wurde Mitte der 1970er Jahre als Folge von Luftqualitätsvorschriften erfunden, die eine radikale Reduzierung der Emissionen von Kraftfahrzeugen forderten. Der Clean Air Act in den Vereinigten Staaten führte dazu, dass Katalysatoren ab 1975 weit verbreitet eingesetzt wurden. In Europa und anderen Teilen der Welt kamen solche Gesetze in den 1990er Jahren auf.

Der Katalysator ist in die Auspuffanlage des Fahrzeugs eingebaut. Seine Komplexität ist von außen nicht sofort ersichtlich.

Im Inneren des Edelstahlgehäuses befindet sich ein keramischer Monolith in Form einer Bienenwabe. Das Wabendesign ermöglicht eine stark vergrößerte Oberfläche mit geringem Widerstand für den Abgasstrom.

Das Keramiksubstrat wird dann mit einer "Washcoat"-Schicht überzogen. Der Washcoat vergrößert die Oberfläche und trägt außerdem zur Stabilisierung der aktiven Metalle bei. Die Platingruppenmetalle, zu denen Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh) gehören, sind dann in Form sehr feiner Nanopartikel auf der Schicht dispergiert. Der Gesamtgehalt an PGEs beträgt normalerweise etwa 0,1 Gewichtsprozent, aber da sie im Neuzustand als Partikel mit einer Größe von weniger als 10 Nanometern dispergiert sind, ist ihre Oberfläche enorm.

In Benzinmotoren führen Drei-Wege-Katalysatoren drei gleichzeitige Reaktionen durch:

• Oxidation von Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂)
• Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (UHC) zu CO₂ und Wasser
• Reduktion von Stickoxiden (NOₓ) zu Stickstoff (N₂)

Platin und Palladium katalysieren hauptsächlich die Oxidationsreaktionen. Rhodium ist besonders wirksam bei der NOₓ-Reduktion. Einfach ausgedrückt, bietet Platin in einem Katalysator eine reaktive Oberfläche, auf der schädliche Abgase in weniger giftige Stoffe umgewandelt werden, bevor sie den Auspuff verlassen.

Andere Verwendungszwecke von Platin-Katalysatoren

Obwohl Katalysatoren die bekannteste Anwendung sind, geht die katalytische Rolle von Platin weit über die Automobilindustrie hinaus.

Brennstoffzellen und Wasserstoffenergie

In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) wird Platin an beiden Elektroden verwendet:

• An der Anode katalysiert es die Wasserstoffoxidation (H₂ → 2H⁺ + 2e-).
• An der Kathode katalysiert es die Sauerstoffreduktion (O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O).

Bei diesen Reaktionen wird Strom erzeugt, wobei Wasser das einzige Nebenprodukt ist. Das niedrige Überpotenzial von Platin für Wasserstoffreaktionen ist entscheidend für eine hohe Effizienz der Brennstoffzelle.

Chemische Herstellung

Platin-Katalysatoren sind weit verbreitet in:

• Hydrierung von organischen Verbindungen
• Petroleum-Reformierung zur Verbesserung der Oktanzahl von Benzin
• Herstellung von Salpetersäure (häufig unter Verwendung von Platin-Rhodium-Netzen für die Ammoniakoxidation)

In vielen dieser Prozesse wird Platin bei hohen Temperaturen und in korrosiven Umgebungen eingesetzt, in denen sich weniger edle Metalle schnell zersetzen würden.

Herstellung von Silikonen und Spezialchemikalien

Platin-Katalysatoren sind bei Hydrosilylierungsreaktionen zur Herstellung von Silikonen unverzichtbar. Diese Materialien finden breite Anwendung in der Elektronik, in medizinischen Geräten, Dichtungsmitteln und Beschichtungen.

Behandlung von Umwelt- und Industriegasen

Platin wird auch in industriellen Oxidationsprozessen, Luftreinigungssystemen und Abgasreinigungsanlagen verwendet. Aufgrund seiner Langlebigkeit und Wiederverwertbarkeit eignet es sich für langfristige industrielle Prozesse mit hohem Durchsatz.

Fazit

Die katalytische Kraft vonPlatin beruht auf einer seltenen Kombination von Eigenschaften: Es adsorbiert Gase effektiv, aktiviert chemische Bindungen effizient und bleibt unter extremen thermischen und chemischen Bedingungen stabil. In Katalysatoren wandelt es schädliche Abgase in sicherere Emissionen um. In Brennstoffzellen ermöglicht er die effiziente Umwandlung von Wasserstoff in Energie. In chemischen Anlagen treibt es industrielle Reaktionen im großen Maßstab mit Präzision und Beständigkeit an.

Referenz:

[1] Pianowska, Karolina & Kluczka, Joanna & Benke, Grzegorz & Goc, Karolina & Malarz, Joanna & Ochmański, Michał & Leszczyńska-Sejda, Katarzyna. (2023). Solvent Extraction as a Method of Recovery and Separation of Platinum Group Metals. Materials. 16. 4681. 10.3390/ma16134681.