Wöchentlicher Wissenschaftstalk – Kann ein kleiner Katalysator zur Verbesserung der Luftqualität beitragen?

Im August informierte das Ministerium für Ökologie und Umwelt die Medien über den nationalen Status der Luftqualität. Von Januar bis August betrug der durchschnittliche Anteil der Tage mit guter Luftqualität in 339 Städten auf Präfekturebene und höher im ganzen Land 83,2 Prozent, und die durchschnittliche PM2,5-Konzentration lag bei 29 Mikrogramm pro Kubikmeter, was einem Anstieg von 3,6 Prozent im Vergleich zum Vorjahr und einem Rückgang von 17,1 Prozent im Vergleich zum gleichen Zeitraum im Jahr 2019 entspricht.

Haben Sie das Gefühl, dass sich die Luftqualität in den letzten Jahren verbessert hat? Besonders für die Menschen im Norden ist deutlich spürbar, dass der Himmel blauer wird. Am Beispiel Peking ist blauer Himmel kein „Luxus“ mehr und es gibt immer mehr schöne Tage. Im Jahr 2022 gab es 286 Tage mit guter Luftqualität, 110 Tage mehr als im Jahr 2013. Mit anderen Worten: Es gab fast vier Monate mehr mit guten Tagen.

Im Allgemeinen sind die Hauptverursacher von Luftqualitätsproblemen: Feinstaub (PM2,5), Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOX), Kohlenmonoxid und andere Luftschadstoffe. Um die Atmosphäre zu kontrollieren, müssen wir bei diesen Schadstoffen anfangen. Wenn wir auf die Präventions- und Kontrollprozesse bei Luftschadstoffen der letzten Jahre zurückblicken, können wir feststellen, dass die Konzentrationen von PM2,5 und SO2 in der Luft deutlich gesunken sind, der Rückgang bei NOX jedoch vergleichsweise langsam ist. Laut der „Sonderausgabe des China Atmosphere Report 2022“ sanken Chinas gesamte SO2-Emissionen von 2011 bis 2022 um 86 %, während der Rückgang bei NOX nur etwa 58 % betrug. Mit anderen Worten: Es besteht noch viel Spielraum für eine Reduzierung der NOX-Emissionen. Warum sind NOX-Emissionen schwieriger zu kontrollieren?

Zunächst einmal ist die Quelle von NOX komplizierter als die von SO2. SO2-Emissionen stammen hauptsächlich aus festen Quellen wie Kohlekraftwerken und Industriekesseln, NOX-Emissionen stammen jedoch auch aus einer mobilen Quelle – den Autoabgasen. Daher müssen Wissenschaftler verschiedene Technologien zur NOX-Verschmutzungskontrolle untersuchen, damit diese auf unterschiedliche Szenarien angewendet werden können.

Andererseits wurde die NOX-Verschmutzungskontrolltechnologie, auch als selektive katalytische Reduktion (SCR)-Entstickungstechnologie bezeichnet, später als die SO2-Entschwefelungstechnologie eingesetzt. Die Anwendung von SCR in verschiedenen Bereichen und Branchen ist auch mit einigen Problemen verbunden. In einem Wärmekraftwerk steht SCR beispielsweise vor einem Dilemma: Bei der Verbrennung von Kohle und Öl wird eine große Menge Rauch freigesetzt. Wenn der SCR vor der Staubentfernung angeordnet ist, verstopft der Rauch leicht den Katalysator und beeinträchtigt die Effizienz der NOX-Entfernung. Wenn zuerst der Staub entfernt wird und dann die SCR-Katalysatortechnologie eingesetzt wird, ist die Temperatur des Rauchgases relativ niedrig und liegt nicht im aktiven Temperaturbereich des Katalysators mit SCR-Technologie. In der Keramik-, Glas- und anderen Industriezweigen sind in den Industrieabgasen noch immer Alkalimetalle oder Schwermetalle vorhanden, wodurch SCR-Katalysatoren leicht vergiftet werden und ihre Aktivität verlieren.

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass der Katalysator ein Schlüsselglied in der SCR-Technologie ist. Vorhandene Katalysatoren kommen mit niedrigen Temperaturen, Rauch oder Metallvergiftung nicht gut zurecht.

Allerdings arbeiten auch chinesische Wissenschaftler hart daran, diese Schwierigkeit zu überwinden. Darunter befindet sich die „Grundlagenforschung zur katalytischen Reinigung von Stickoxiden in Verbrennungsabgasen“ unter dem Vorsitz von He Hong, einem Akademiker der Chinesischen Akademie der Ingenieurwissenschaften und stellvertretenden Direktor des Öko-Umweltforschungszentrums der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Dabei wurde eine Reihe neuer Katalysatoren entwickelt, die die Aktivität von Katalysatoren in Niedertemperaturzonen wirksam verbessern können. Diese Forschung wurde 2019 mit dem zweiten Preis des National Natural Science Award ausgezeichnet. Nach eingehender Untersuchung katalytischer Reaktionen haben die Forscher ein effizientes Prinzip für die Katalysatorkonstruktion herausgearbeitet, nämlich das Prinzip der engen Kopplung der Oxidations-/Reduktionsstellen des Katalysators mit den sauren Stellen. Einfach ausgedrückt sind für eine katalytische Reaktion sowohl Redoxstellen als auch saure Stellen erforderlich. Während des Designs müssen diese beiden Stellen eng miteinander verbunden werden, damit die Reaktion reibungslos ablaufen kann. Bei Stellen desselben Typs (z. B. wenn es sich bei allen um Redoxstellen handelt) ist es am besten, sie auf der Katalysatoroberfläche stark zu verteilen, um eine größere Fläche für die katalytische Reaktion bereitzustellen.

Basierend auf diesem Konstruktionsprinzip entwickelte das Team von He Hong eine Reihe neuer Katalysatoren, die bei niedrigen Temperaturen eine bessere Leistung ermöglichen. Unter anderem wurde der unter der Leitung von He Hongs Team verbesserte Katalysator auf Vanadiumbasis in industriellen Szenarien eingesetzt und in den Abgasreinigern schwerer Dieselfahrzeuge installiert, wodurch die Stickoxidemissionen von Dieselfahrzeugen erfolgreich um mehr als 70 % reduziert wurden. Ich bin überzeugt, dass die Kontrolle der Stickoxidemissionen in der Atmosphäre in Zukunft mit der weiteren Forschung an Katalysatoren und der industriellen Förderung der Forschungsergebnisse kein Problem mehr sein wird.

Autor: Fan Kexin, Master des Imperial College London

Gatekeeper: Zhu Yehua, stellvertretender Herausgeber des Science and Technology Herald

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