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

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

Platin Platinmetalle: Ruthenium Rhodium Palladium Osmium Iridium 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

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

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 → [𝑃𝑡𝐶𝑙6] 2− 2) Fällen mit Ammoniumchlorid → (NH4)2[𝑃𝑡𝐶𝑙6] 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: 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 Abbildung: http://www.goldinvest.de/wp-content/uploads/sonstiges_platinbarren.jpg

Verbrennungsmotor CxHy + (x + y 4 ) O2 → x CO2 + y 2 H2O Nebenprodukte: - unvollständige Verbrennung → CmHn - Kohlenstoffmonoxid CO - Luftverbrennung N2 + O2 → 2 NO Überführen der Nebenprodukte in harmloses Abgas: CmHn + (m + n 4 ) O2 → m CO2 + n 2 H2O CO + 1 2 O2 → CO2 CO + NO → 1 2 N2 + CO2 Gleichgewichte liegen bei 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

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)

Katalysatorregelung CmHn + (m + n 4 ) O2 → m CO2 + n 2 H2O CO + 1 2 O2 → CO2 CO + NO → 1 2 N2 + CO2 → Lambda-Wert: λ= O 2 (vorhanden) O 2 (benötigt) λ<1: Sauerstoffunterschuss (CmHn-fettes Abgas) λ>1: Sauerstoffüberschuss (CmHn-mageres Abgas) Lambdasonde: potentiometrische Messung des Sauerstoffgehalts Sauerstoffionenleiter durch extrinsische Punktdefekte (dotiertes ZrO2) → 𝑈= 𝑅∙𝑇 4𝐹 ∙𝑙𝑛 𝑃 𝐿𝑢𝑓𝑡 ( 𝑂 2 ) 𝑃 𝐴𝑏𝑔𝑎𝑠 ( 𝑂 2 ) 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

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

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

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