Die Welt der Metalle - Die Welt der Rohstoffe - page 62

Kasten 2.3 Katalysatoren

Ein Katalysator beschleunigt die Geschwindigkeit einer che-
mischen Reaktion, indem er einen energetisch günstigeren
Reaktionsweg ermöglicht. Der Dreiwegekat von Autos zum
Beispiel verwandelt gefährliche Bestandteile der Abgase -
Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffverbindungen und Stick-
oxide - zu ungefährlichem Kohlendioxid, Wasser und Distick-
stoff um. Aber auch in der chemischen Industrie werden
Katalysatoren im großen Stil eingesetzt, sie ermöglichen die
Synthese der unterschiedlichsten Substanzen, beispielsweise
Ammoniak, Schwefelsäure, Salpetersäure und Methanol.
Jede Anwendung braucht ihren speziellen Katalysator. Es gibt
solche, die sich zusammen mit den Edukten und Produkten der
Reaktion in einer Lösung befinden. Häufiger sind Feststoffe, vor
allem Metalle und Metalloxide, die Reaktionen in einer Lösung
oder in Gasen antreiben. Dabei handelt es sich prinzipiell um
Feststoffe, die nicht mit den beteiligten Edukten und Produkten
reagieren - von der Oberfläche abgesehen. Denn während im
Inneren die Valenzelektronen jedes Atoms an einer Bindung
mit Nachbaratomen beteiligt sind, fehlt an der Oberfläche ein
Nachbaratom und das entsprechende Valenzelektron kann so-
zusagen eine helfende Hand ausstrecken. Das macht es mög-
lich, die Edukte zunächst zu Zwischenprodukten abzubauen,
die sich an der Oberfläche des Katalysators anlagern. Anschlie-
ßend setzen sich die verschiedenen Zwischenprodukte zu den
Produkten der Reaktion zusammen.
Daher ist es wichtig, dass die Oberfläche des Katalysators
möglichst groß ist. Die einfachste Variante ist ein Pulver,
das anschließend aus der Lösung gefiltert wird. Häufiger
werden Nanokugeln durch Sintern zu einem schwammartigen
Gebilde verfestigt, das zum Beispiel als Beschichtung auf

einer wabenförmigen Keramik sitzt. Auch manche Zeolithe
(

Abschn. 7.15), durch chemische Reaktionen aktiviert,
werden als Katalysatoren eingesetzt, bei ihnen findet die
Reaktion innerhalb des weitmaschigen Kristallgitters statt.
Beispielsweise wird für das Cracken von schwerem Rohöl ein
Teil des Aluminiums in der Zeolithstruktur mit Lanthan und
anderen Seltenerdelementen ersetzt.
Jeder Katalysator braucht geeignete Bedingungen (Tempe-
ratur, Druck und so weiter), um optimal zu funktionieren.
Die aktive Substanz ist genau auf die jeweilige Reaktion ab-
gestimmt. Bei Fahrzeugen werden die teuren Edelmetalle
Platin, Rhodium und Palladium eingesetzt, außerdem Cer(IV)
oxid. Die Platingruppenelemente dienen auch bei der Syn-
these von Salpetersäure im Oswaldverfahren als Katalysator.
Bei der Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren besteht
der Katalysator aus Magnetit (der dabei zu Eisen reduziert
wird) zusammen mit K 2 O, Al 2 O 3 und SiO 2 . Bei der Produktion
von Methanol kommen Kupfer, Kupferoxid, Zinkoxid und
Chromoxid zum Einsatz. Es gibt viele weitere Kombinationen,
nennenswert sind noch sogenannte Lanthan-Perowskite wie
LaCoO 3 und LaMnO 3 .
Dass es sich oft um Kombinationen mehrerer Metalle und
Metalloxide handelt, ist kein Zufall. Diese Phasen geben unter-
schiedlichen Zwischenprodukten ihre »helfende Hand«, die Re-
aktionen finden daher vor allem an den jeweiligen Phasengren-
zen statt. Andere Bestandteile bewirken Fehler im Kristallgitter
oder eine hauchdünne Beschichtung, die erst die aktive Oberflä-
che aufbaut. Nur selten weiß man, warum die jeweilige Mi-
schung funktioniert und was genau bei der Reaktion passiert, die
Katalysatoren werden vor allem durch Ausprobieren entwickelt.

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Nickel gewonnen werden kann, auch tiefer. Die PGE werden fast
ausschließlich aus LMI ( 7 Abschn. 3.3 ) gewonnen. Allein der
Bushveld-Komplex in Südafrika ( 7 Abschn. 3.3.3 ) enthält 75 %
der weltweiten Ressourcen an Platin, 54 % an Palladium und
82 % an Rhenium (Naldrett et al. 2008). Der Rest der bekannten
Ressourcen entfällt bis auf wenige Prozent auf den Great Dyke in
Simbabwe und auf Norilsk in Sibirien. Nennenswert sind noch
Sudbury (Kanada) und Stillwater (USA).
Es gibt auch podiforme Chromlagerstätten ( 7 Abschn. 3.2 )
mit relativ hohem Platingehalt. Kleine ultramafische Intrusionen

(»Alaska-Ural-Typ«) enthalten Platin meist nur im subökono-
mischen Bereich. Seifenlagerstätten ( 7 Abschn. 5.9 ) wie im Ural
haben heute keine große Bedeutung, wobei PGE, insbesondere
Osmium und Iridium, als Nebenprodukt bei der Goldgewinnung
im Witwatersrand ( 7 Kasten 5.18 ) anfallen. Hin und wieder gibt
es Platinanreicherungen in Schwarzschiefern ( 7 Abschn. 5.1 ).

2.4 Leichtmetalle

2.4.1 Aluminium (Al)

Tab. 2.14 Ausgewählte Platinminerale und der jeweilige Platin-
gehalt.

Aluminium und Aluminiumlegierungen werden überall einge-
setzt, wo es auf ein geringes Gewicht ankommt, insbesondere im
Flugzeug- und Fahrzeugbau. Auch ist es als Verpackungsmaterial
(Alufolie, Tetrapak) verbreitet. Da Aluminium ein sehr guter
elektrischer Leiter ist, wird es manchmal anstelle von Kupfer
verwendet. Im Schienenbau nutzt man die stark exotherme
Thermitreaktion zum Schweißen, dabei wird ein Pulver aus
Fe 2 O 3 mit Al vermischt und die beiden Bestandteile reagieren zu
Al 2 O 3 und geschmolzenem Eisen. Aluminiumstaub kann sich an

gediegen Platin Pt bis 100 % Pt

Cooperit PtS ca. 82 % Pt

Braggit (Pt, Pd, Ni)S ca. 59 % Pt, 20 % Pd

Sperrylith PtAs 2 bis 54 % Pt

Moncheit (Pt,Pd)(Te 2 ,Bi) ca. 37 % PGE, ca. 40 % Te

Laurit RuS 2 ca. 61 % Ru