Grundlagenforschung zum Abbau von Kohlenstoffnanopartikeln Die Chemie im Rußpartikelfilter

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Ein Team am Max-Planck-Institut für Chemie untersucht die Oxidation von Kohlenstoffnanopartikeln in Rußpartikelfiltern. Mit einem neuen Modell haben sie gezeigt, wie die Teilchen bei hohen Temperaturen reagieren und welche Eigenarten den Verlauf der Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Die Erkenntnisse könnten auch helfen, bessere synthetische Kraftstoffe herzustellen.

Kohlenstoffpartikel sind nahezu überall. Sie entstehen zum Beispiel in Form von Ruß, wenn Energieträger wie Öl oder Holz nicht vollständig verbrannt werden. Doch dank technischer Entwicklungen müssen die kleinen Kohlenstoffpartikel nicht zwangsläufig auch in die Luft gelangen. Rußpartikelfilter entfernen die nanometer- bis mikrometergroßen Teilchen mithilfe chemischer Oberflächen-Reaktionen etwa aus Autoabgasen. Und die Kohlenstoffpartikel könnten sogar industriell genutzt werden: Denn bei Temperaturen über 1.000 °C lässt sich Kohlenstoff mit Kohlendioxid und Wasser in Vorstufen synthetischer Kraftstoffe umwandeln. In beiden Anwendungen spielen chemische Reaktionen auf der Kohlenstoff-Oberfläche eine entscheidende Rolle. Jedoch ist nicht vollständig geklärt, unter welchen Bedingungen bestimmte Reaktionspfade vorherrschen.

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Das Zusammenspiel der Gase im Wechsel der Temperatur

Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie können nun besser erklären, was bei der Oxidation von Kohlenstoffnanopartikeln im Rußpartikelfilter passiert. Sie untersuchten die winzigen Rußteilchen bei Bedingungen, wie sie in Fahrzeugabgasen von Dieselmotoren typisch sind. Bei Temperaturen von etwa 270 bis 450 °C trifft der Kohlenstoff hier auf die reaktiven Gase Stickstoffdioxid und Sauerstoff. Die Gase oxidieren den Kohlenstoff und bauen ihn so ab. Das Ergebnis: Je höher die Temperatur, desto schneller verschwindet die Kohlenstoffmasse. Anschließend gaben die Wissenschaftler die experimentellen Daten in ein so genanntes kinetisches Mehrschichtmodell (KM-GAP-CARBON) ein.

Die Modellierung zeigt, was chemisch passiert: Bei niedrigeren Temperaturen wird der Kohlenstoffabbau durch Stickstoffdioxid bestimmt, bei höheren Temperaturen hingegen durch Sauerstoff. Gleichzeitig mit der Veränderung des dominanten Reaktionspfades verschiebt sich auch die Aktivierungsenergie, welche aufgebracht werden muss, damit eine chemische Reaktion ablaufen kann.

Modell aus der atmosphärischen Aerosolforschung

„Unser Modell wurde ursprünglich entwickelt, um die Chemie von Aerosolen und Feinstaub in der Atmosphäre zu beschreiben. Es funktioniert aber auch für technische Hochtemperaturanwendungen sehr gut“, sagt Dr. Thomas Berkemeier, Hauptautor der Studie und Forschungsgruppenleiter am Mainzer Max-Planck-Institut. „Unser Modell hilft uns zu verstehen, warum der chemische Reaktionspfad von der Temperatur beeinflusst wird. Es erklärt auch eine zweite Besonderheit: In den Messungen beobachten wir nämlich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit jeweils zu Beginn und am Ende der Reaktion am höchsten ist.“

Laut der Studie werden an der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel zuerst reaktivere Kohlenstoffatome oxidiert und verflüchtigt, was dazu führt, dass sich weniger reaktive Atome an der Oberfläche anreichern. Dadurch kommt es zunächst zu einer Art Passivierung der Partikel und die Oxidation verlangsamt sich. „Gegen Ende der Reaktion ist das Verhältnis von Oberfläche der Partikel zu ihrem Volumen besonders groß, weswegen die auf das Volumen normierte Reaktionsrate nochmals stark ansteigt“, erläutert Berkemeier, der zukünftig die genaue Struktur der Partikel auch mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden analysieren möchte. Mit seinem Team plant der Chemiker zudem weitere reaktionskinetische Untersuchungen, um die Auswirkungen anderer Oxidationsmittel und Bedingungen zu erforschen.

Grundlagen für bessere erneuerbare Kraftstoffe

„Unsere Forschung verbessert nicht nur das Verständnis grundlegender Prozesse auf Kohlenstoff-Oberflächen. Wir unterstützen damit auch die Entwicklung innovativer Verfahren im Bereich von Umwelt- und Energieanwendungen, beispielsweise in der Kohlenstoffabscheidung zur Reduktion von CO₂-Emissionen und zur Optimierung der Produktionsbedingungen in der Herstellung synthetischer Kraftstoffe“, fügt Prof. Dr. Ulrich Pöschl, Ko-Autor und Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie, hinzu. „Die Ergebnisse langjähriger wissenschaftlicher Grundlagenforschung tragen somit auch zu einer nachhaltigen Entwicklung von Technik und Gesellschaft im Anthropozän bei.“

Originalpublikation: Thomas Berkemeier und Ulrich Pöschl: Carbon Nanoparticle Oxidation by NO2 and O2: Chemical Kinetics and Reaction Pathways, Angew. Chem. Int. Ed., e202413325, (2024); DOI: 10.1002/anie.202413325

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