vom Element zum Device : Platin – Autokatalysator

1. vom Element zum Device: Platin – Autokatalysator Christian Goldhahn am 15. Januar 2013

2. Gliederung • Allgemeines • Vorkommen und Gewinnung • Darstellung und Verwendung • Verbrennungsmotor • Autoabgaskatalysator • Regelung des Sauerstoffangebots • Katalysatorschäden • Katalysatorrecycling

3. Platin Platinmetalle: Ruthenium Rhodium Palladium Osmium Iridium Platin Abbildung: http://periodensystem-elemente.de/wp-content/uploads/2012/03/periodensystem-der- chemischen-elemente.png (23.12.2012) A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

4. Vorkommen • Seltenes Element (0,005 ppm in Erdkruste) • Liegt gediegen oder in Verbindungen vor (PtAs2, PtS) • Primäre Lagerstätten: geringer Anteil an Platin • Sekundäre Lagerstätten: Anreicherung durch Verwitterung • Aufwändige Förderung: 150 t Gestein für 1 kg Pt =>Rohplatin A.Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26 A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

5. Darstellung • Rohplatin aus gezieltem Abbau oder als Anodenschlamm aus Cu-Gewinnung • Elektrolytische Abtrennung von Gold und Silber • Gewinnung von reinem Platin aus Rohplatin: 1) Lösen in Königswasser → 2) Fällen mit Ammoniumchlorid → (NH4)2 3) thermische Zersetzung oder Reduktion des Komplexes mit Hydrazin => 400 t Abraum/Schlacke pro Kilogramm Platin • Verwendung: • Elektronikindustrie • Chemiesektor • Investment • Schmuckindustrie • Autokatalysator A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007 Abbildung: B. Weber, Skript Modul AC II - Nebengruppen I, Bayreuth, 2011 Abbildung:http://www.goldinvest.de/wp-content/uploads/sonstiges_platinbarren.jpg Abbildung: A. Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26

6. Verbrennungsmotor CxHy+ (x + ) O2 → x CO2 + H2O Nebenprodukte: - unvollständige Verbrennung → CmHn - KohlenstoffmonoxidCO - LuftverbrennungN2 + O2 → 2 NO Überführen der Nebenprodukte in harmloses Abgas: CmHn + (m + ) O2 → m CO2 + H2O CO + O2 → CO2 CO + NO → N2 + CO2 Gleichgewichteliegenbei Betriebsbedingungen auf der „günstigen“ Seite → Katalysatoren geeignet um kinetische Hemmung zu überwinden Probleme: sowohl Reduktion als auch Oxidation; Zeit bis zum Erreichen der Anspringtemperatur; Regelung des Sauerstoffangebots E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44

7. Autoabgaskatalysator • Heute vor allem multifunktionelle Katalysatoren („Dreiwegekatalysator“) • Aufbau: - Träger: keramische Monolithe (Cordierit), Metallträger - Washcoat: γ-Al2O3 - Edelmetallbeschichtung: Platin (1-3 g), Palladium, Rhodium C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44 Abbildung li.: www.billigstautos.com (23.12.2012) Abbildung re.: http://development.hg-otorsport.de/templates/hg_motorsport/img/katalysator.png (23.12.2012)

8. Katalysatorregelung CmHn + (m + ) O2 → m CO2 + H2O CO + O2 → CO2 CO + NO → N2 + CO2 →Lambda-Wert: λ<1: Sauerstoffunterschuss (CmHn-fettesAbgas) λ>1: Sauerstoffüberschuss (CmHn-mageresAbgas) Lambdasonde: • potentiometrische Messung des Sauerstoffgehalts • Sauerstoffionenleiter durch extrinsische Punktdefekte (dotiertes ZrO2) → A.F. Hollemann, E. Wiberg, N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007 C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 Abbildung: J. Breu, Modul ACIII – Präparative Anorganische Chemie Festkörperchemie I, Bayreuth, 2011

9. Katalysatorschäden • Sintern des Washcoat: γ-Al2O3 → α-Al2O3 Verlust von spezifischer Oberfläche • Schädigung der katalytisch wirksamen Schicht: Vor allem durch Verbrennungsrückstände (Motoröl, andere Verunreinigungen) - Bedeckung der Edelmetallschicht - Bildung von PGM-Oxiden oder anderer Verbindungen (Vergiftung) → Verlust der katalytischen Wirkung • Mechanische Abtragung von Katalysatormaterial bis zu 20 t/a Platinfeinstaubemissionen in Europa, Japan und Nordamerika E. Koberstein, Katalysatoren zur Reinigung von Autoabgasen, Chemie in unserer Zeit, 18. Jahrg. 1984, Nr. 2 S.37-44 C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005 A. Thorenz, A. Reller, Diskussion der Risiken der Ressource Platin auf Basis eines um funktionale Faktoren erweiterten Kritikalitätsassessments – dargestellt am Besispiel platinhaltiger Zyostatika und Autoabgaskatalysatoren, Environmental Science Europe 2011, 23:26

10. Katalysatorrecycling „Rollende Platinmine“ • Gründe: -gesicherte Versorgung und Preisstabilisierung - umweltfreundliche Produktion • Methode: pyrometallurgisches Verfahren • Vorraussetzungen: • effektive Recyclingkette • sorgfältiger Umgang mit Altkatalysatoren → bisher nur ca. 30% des Recyclingpotentials ausgeschöpft C. Hagelüken, Autoabgaskatalysatoren, 2. Auflage, expert verlag, Renningen, 2005

11. Zusammenfassung • Platin ist seltenes Metall mit vielen Anwendungen • Wichtigste Anwendung: Autokatalysator • Autoabgase müssen unschädlich gemacht werden • Umwandlung zu harmlosem Abgas kinetisch gehemmt → Katalysator • Sauerstoffangebot muss genau geregelt werden → λ-Sonde • Lebensdauer des Katalysators ist begrenzt • Optimierungsbedarf bei Katalysatorrecycling vorhanden