Platin als Werkstoff f�r Brenstoffzellen und Katalysatoren -- Weltverschw�rungsforum

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Date Posted: 18:37:50 12/17/09 Thu
Author: tony
Subject: Platin als Werkstoff f�r Brenstoffzellen und Katalysatoren
In reply to: imi 's message, "Goldeuros" on 18:21:25 12/17/09 Thu

Gold wurde auch verbaut, jetzt gibt es neue M�glichkeiten ;)

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Brennstoffzellen ohne Platin halten l�nger
Forscher ersetzen teures Edelmetall durch leitf�hige Kunststoffelektroden, um die kleinen Stromerzeuger haltbarer und g�nstiger zu machen

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Clayton (Australien) - Hocheffiziente Brennstoffzellen haben heute Elektroden aus dem teuren Edelmetall Platin. Auf der Suche nach einem g�nstigeren Ersatzmaterial f�r diesen Katalysator wurden nun australische Forscher f�ndig. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, erreichten sie mit einer flexiblen Membran aus Goretex, beschichtet mit einem leitf�higen Kunststoff, �hnliche Stromausbeuten wie mit Platin-Elektroden.

"In direktem Kontakt zu dem leitf�higen Kunststoff atmet die Membran Sauerstoff in unsere Brennstoffzelle", sagt Bjorn Winther-Jensen von der Monash University in Clayton. Damit kann das kleine Kraftwerk effizient aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugen. Die guten Eigenschaften erreichten sie mit einer nur 400 Nanometer d�nnen Beschichtung aus einem leitf�higen Polythiophen (PEDOT). In ersten Versuchen zeigte dieser Katalysator auch nach 1500 Stunden keine Verschlei�erscheinungen und wirkte dabei genauso effizient wie eine klassische Platin-Elektrode.

Einen weiteren Vorteil sehen die Forscher in der Unempfindlichkeit gegen�ber dem gasf�rmigen Kohlenmonoxid. Bei Brennstoffzellen, die mit dem Sauerstoff der Luft elektrischen Strom erzeugen, verunreinigt dieses Gas den Katalysator normalerweise und senkt dadurch die Leistungsf�higkeit.

Die Brennstoffzelle gilt als viel versprechender Kandidat f�r die Stromversorgung zuk�nftiger Elektromobile. Allerdings ist diese Technologie wegen des kostspieligen Edelmetalls Platin bisher nicht konkurrenzf�hig. Zudem reicht die weltweite Platinf�rderung nach Aussage der australischen Forscher nur f�r die Ausstattung von etwa drei Millionen Elektrofahrzeugen aus. Mit den neuen Katalysator-Membran hingegen k�nnten sowohl weit mehr Autos mit zugleich erschwinglicheren und langlebigen Brennstoffzellen ausgestattet werden.

http://www.weltderphysik.de/de/4245.php?ni=1030

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Verkehr
Edelmetall-Emissionen aus Pkw-Katalysatoren
Letzte �nderung: 01.09.2006

Edelmetalle und ihre Verwendung

Neben Silber und Gold werden auch die sogenannten Platinmetalle zu den Edelmetallen gez�hlt, die sich durch hohe chemische Widerstandsf�higkeit auszeichnen.

Name
Symbol
Ordnungszahl
Rel. Atommasse
Schmelzpunkt

Ruthenium
Ru
44
101,7
2310 oC

Rhodium
Rh
45
102,9
1966 oC

Palladium
Pd
46
106,4
1552 oC

Osmium
Os
76
190,2
3045 oC

Iridium
Ir
77
192,2
2410 oC

Platin
Pt
78
195,1
1772 oC

Ein gel�ufiger Einsatzbereich f�r Edelmetalle ist die Schmuckindustrie. Die Korrosionsfestigkeit von Gold wird in der Elektronikindustrie f�r die Herstellung von sehr haltbaren Kontakten genutzt. Palladium findet in der Zahnmedizin in Dentallegierungen Anwendung. Einige Platinverbindungen werden in der Krebstherapie eingesetzt.

Ein gro�er weiterer Anwendungsbereich von Platinmetallen ist die Katalysatortechnik. Die gro�e chemische Widerstandsf�higkeit ist eine wichtige Voraussetzung f�r eine wesentliche Eigenschaft eines Katalysators: Er beschleunigt chemische Umsetzungen, ohne sich selbst dabei dauerhaft zu ver�ndern. Neben der industriellen Anwendung, die meist station�r erfolgt, werden Katalysatoren mobil zur Nachbehandlung von Emissionen von Kraftfahrzeugen als 3-Wege-Katalysator bei Ottomotoren und als Oxidationskatalysator bei Dieselmotoren eingesetzt. Obwohl sich das Katalysatormaterial chemisch nicht ver�ndert, k�nnen kleine Mengen davon in feinstverteilter Form - teilweise an Tr�germaterial gebunden - durch mechanischen Abrieb in die Umwelt gelangen.

Um zu pr�fen, ob durch den Einsatz des Katalysators zur Entgiftung von Autoabgasen eine zus�tzliche Belastung von Mensch und Umwelt hervorgerufen wird, wurde vom damaligen Bundesministerium f�r Forschung und Technologie (BMFT) Ende 1986 ein Forschungsverbund "Edelmetallemissionen" ins Leben gerufen. Die Abschlusspr�sentation fand im Oktober 1996 statt.

Edelmetalle in Katalysatoren von Kraftfahrzeugen

Kraftfahrzeugemissionen enthalten als wichtige Schadstoffe einerseits Produkte unvollst�ndiger Verbrennung wie Kohlenmonoxid, Aldehyde und andere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, andererseits Oxidationsprodukte des Luft-Stickstoffs wie Stickstoffmonoxid und -dioxid sowie Distickstoffmonoxid (Lachgas). Durch 3-Wege-Katalysatoren k�nnen Reaktionen beschleunigt werden, bei denen Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser weiteroxidiert werden und parallel dazu Stickstoffoxide wieder zu Stickstoff reduziert werden. Damit k�nnen unter optimalen Bedingungen die Emissionen von Kohlenmonoxid, Stickstoffoxiden und Kohlenwasserstoffen um �ber 90 % vermindert werden. Platin und/oder Palladium k�nnen oxidative Reaktionen beschleunigen, w�hrend Rhodium bei Reduktionsreaktionen mitwirkt.

Der Katalysator eines �blichen Pkw enth�lt etwa 2 g Platinmetalle. �ber viele Jahre war der Standard f�r Drei-Wege-Katalysatoren ein Pt : Rh - Verh�ltnis von ungef�hr 5 : 1. Seit Beginn der 90er Jahre werden aber, u.a. bedingt durch Fortschritte in der Beschichtungstechnologie, auch Pd : Rh (5:1 bis 9:1), nur Pd sowie Trimetall-Katalysatoren (Pt : Pd : Rh 1 : 14 : 1 bis 1 : 28 : 1) eingesetzt. �ltere Katalysatoren enthielten 0,9 - 2,0 g Pt und 0,1 - 0,4 g Rh pro Liter Katalysatorvolumen, neue Formulierungen arbeiten mit bis zu 0,3 g Pt und 1,5 - 5 g Pd bei unver�ndertem Rhodiumanteil.

Emission / Immission

W�hrend in der Anfangsphase in den USA sogenannte Sch�ttgut-Katalysatoren verwendet wurden, in denen die katalytisch aktive Oberfl�che einem st�rkeren mechanischen Abrieb unterlag, werden heute Monolith-Katalysatoren eingesetzt, bei denen ein wesentlich geringerer Abrieb der Platinmetalle zu verzeichnen ist. �ltere Untersuchungen aus den USA wiesen auf Platin-Emissionen von etwa 1,2 bis 2 �g/m� im Abgas hin. Nach aktuellen Untersuchungen am Motorenpr�fstand kann man heute von Emissionen in der Spannbreite von 10 bis 100 ng/m� ausgehen; bezogen auf einen Kilometer Fahrstrecke kommt man zu �hnlichen Zahlenwerten (1 Nanogramm (ng) ist ein Tausendstel Mikrogramm (�g) und ein Millionstel Milligramm (mg)). Ob auch unter realen Einsatzbedingungen mit Emissionen in vergleichbarer H�he gerechnet werden kann, ist nicht abschlie�end gekl�rt. Die Emissionen bestehen �berwiegend aus metallischem Platin mit einem Anteil von etwa 10 bis 25 % an Platinoxiden. Die Korngr��e geht bis in den Nanometer-Bereich hinunter. Bei dieser Teilchengr��e muss auch bei metallischem Platin und Platinoxiden eine vermehrte L�slichkeit und damit erh�hte Bioverf�gbarkeit angenommen werden. Angaben gehen hierzu bis etwa 4 - 10 %. F�r Palladium und Rhodium d�rften �hnliche Bedingungen vorliegen.

Die Konzentration von Platin in der Erdkruste wird mit etwa 5 ppb (5 �g/kg) angegeben, diejenige von Palladium etwa 10 ppb. Andere Angaben gehen jedoch von nur jeweils 0,1 �g/kg aus. Welche Konzentrationen auf eine Anreicherung in der Umwelt hinweisen, ist also nicht klar zu definieren. Im Luftstaub werden Pt-Konzentrationen von 10 - 100 �g/kg gemessen; das entspricht etwa 1 pg/m� Luft. In Tunnelst�uben findet man etwa 60 �g Platin/kg; der Palladiumgehalt liegt um rund einen Faktor 10 h�her. Von 1990 bis 1996 wurde in oberfl�chlichen Erdproben (0-2 cm) an einer Autobahn in S�ddeutschland ein Anstieg des Platingehalts von 12 auf 100 bis 250 �g/kg beobachtet. Orientierende verkehrsnahe Luftmessungen ergaben 1996 in Frankfurt a.M. f�r Platin Konzentrationen um 300 pg/m�, f�r Rhodium, Ruthenium und Palladium etwa 20 pg/m� und f�r Iridium etwa 30 pg/m�.

Aufnahme durch Pflanzen

Wasserl�sliche Platinverbindungen werden von Pflanzen aufgenommen und vor allem in den Wurzeln angereichert. Sie gelangen daher bevorzugt durch Wurzelgem�se in die menschliche Nahrung. Die im Vergleich zu Fr�chten und �hren st�rkere Anreicherung von Platin in den Bl�ttern deutet darauf hin, dass auch Blattgem�se und Futterpflanzen zu einer Platin-Belastung von Mensch und Tier beitragen k�nnen. Als wasserunl�sliche Verbindungen oder in metallischer Form werden Edelmetalle offenbar praktisch nicht von Pflanzen aufgenommen. Daten �ber Palladium und Rhodium liegen in dieser Form nicht vor.

Wirkungen auf den Menschen

Bei den Wirkungen muss klar zwischen metallischem Platin und Platinsalzen unterschieden werden. �ber toxische Wirkungen von metallischem Platin gibt es praktisch keine Daten. Mit feinstverteiltem Platinstaub (Korngr��e 1-5 �m) wurden in Versuchen an Ratten keine letalen Dosen erreicht. Die orale Dosis, bei der 50 % der Tiere sterben (LD50), liegt bei der Ratte f�r Platinoxid (PtO2) bei > 3400 mg/kg, f�r Platin (II)-Chlorid (PtCl2) �ber 1300 mg/kg, f�r Platin (IV)-Chlorid (PtCl4) bei 26 mg/kg und f�r das in der Krebstherapie eingesetzte cis-Diamino-Dichloroplatin (II), das sogenannte "Cisplatin", bei 7 mg/kg.

Beim Menschen steht die sensibilisierende Wirkung von Platinsalzen, gerade von Hexa- und Tetrachloroplatinaten, im Vordergrund. Als "Platinose" werden Schleimhautreizungen durch Platinsalze beschrieben, die sich als Konjunktivitis, Rhinitis, Reizung der oberen Atemwege und Bronchialasthma �u�ern. In fr�heren Studien an platinsalzbelasteten Arbeitspl�tzen wurden Sensibilisierungsraten bis �ber 70 % berichtet. Neuere Untersuchungen zeigen zwar einen deutlichen R�ckgang durch verbesserte Arbeitsschutzma�nahmen, aber das Sensibilisierungsrisiko ist weiterhin hoch.

Beim Einsatz von Cisplatin in der Krebstherapie k�nnen toxische Wirkungen an der Niere und am Knochenmark auftreten.

Da sich die genannten Wirkungen auf bestimmte Platinverbindungen beziehen, die in den Prim�remissionen von Katalysator-Fahrzeugen nicht vorkommen, k�nnen daraus keine Schl�sse auf die Wirkungen von Edelmetall-Emissionen durch den Einsatz von Abgas-Katalysatoren gezogen werden. In der Luft sind Umwandlungen von metallischem Platin oder Platinoxiden in Platinsalze kaum anzunehmen. F�r die inhalatorische Aufnahme d�rfte daher diese theoretische M�glichkeit nicht relevant sein. Ob m�glichen Umsetzungen im Boden eine praktische Bedeutung zukommt, ist unklar.

Andererseits ist zu erwarten, dass metallisches Platin in feinstverteilter Form bei inhalativer Zufuhr wenigstens zum Teil bioverf�gbar ist, da sich kleinste Partikel im Korngr��enbereich von einigen Nanometern weitgehend gas�hnlich verhalten und deshalb in der Lunge vermutlich resorbiert werden k�nnen. Derzeit ist allerdings unklar, ob unter diesen Umst�nden intrazellul�r aufgenommenes Platin Enzyme beeinflussen oder katalytische Effekte hervorrufen und damit Stoffwechselver�nderungen ausl�sen kann, und falls ja, mit welchen Folgen dies verbunden sein k�nnte.

�ber Palladium liegen zwar Erfahrungen aus der zahnmedizinischen Anwendung in sogenannten Dentallegierungen vor, aber es gibt kaum Daten �ber inhalatorische Expositionen gegen�ber Palladium. Bei oraler Exposition wird bei Ratten weniger als 1 % resorbiert. Bei Tierversuchen mit Palladiumsalzen werden toxische Effekte an Herz, Niere und Leber beschrieben, wobei f�r das Herz die Salze des zweiwertigen Palladiums deutlich toxischer sind als die Komplexsalze.

Allergische Reaktionen gegen�ber Palladiumsalzen sind bekannt. Sofern bei palladiumhaltigen Legierungen Allergien auftreten, so ist die Zuordnung zum Palladium-Anteil allerdings fraglich, da oft gleichzeitig eine Sensibilisierung gegen�ber Nickel besteht, das ebenfalls in solchen Legierungen enthalten sein kann.

Bei M�usen, die lebenslang PdCl2 �ber das Trinkwasser bekamen, wurden vermehrt Tumoren, u.a. der Lunge, festgestellt. Da aber bei den exponierten Tieren auch eine Lebensverl�ngerung zu beobachten war und die Tumorh�ufigkeit erfahrungsgem�� im h�heren Lebensalter deutlich zunimmt, l�sst sich nicht auseinanderhalten, welcher Anteil an der Zunahme der Tumorh�ufigkeit der Palladiumzufuhr und welcher dem h�heren Alter der Tiere zuzuschreiben ist.

Da Palladium nicht ganz so korrosionsbest�ndig ist wie Platin, ist insgesamt eine im Vergleich zu Platin etwas h�here Bioverf�gbarkeit von emittiertem Palladium anzunehmen. Der Ersatz von Platin durch Palladium ist daher aus gesundheitlicher Sicht eher eine Verschlechterung als eine Verbesserung.

�ber Rhodium und seine Verbindungen liegen praktisch keine verwertbaren Daten vor.

Analytik

Der vom BMFT bzw. vom Bundesministerium f�r Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) gef�rderte Forschungsverbund Edelmetallemissionen war sehr stark auf Platin ausgerichtet. Die Nachweisgrenze in biologischen Proben konnte deutlich gesenkt werden, so dass heute Messverfahren existieren, mit denen auch Konzentrationen im Nanogramm/Liter-Bereich gemessen werden k�nnen. F�r Palladium liegen die Anforderungen an die Analytik nicht ganz so hoch, da in biologischen Proben h�here Konzentrationen dieses Elements zu beobachten sind.

Nach Informationen von der Abschlusspr�sentation des "Forschungsverbundes Edelmetallemissionen" findet man bei nicht beruflich belasteten Menschen im Blutserum Platinkonzentrationen bis 5 ng/l und im Urin 0,2 bis 15 ng/l, f�r beruflich Exponierte werden Werte um 1 �g/l angegeben. Palladiumkonzentrationen liegen bis zu einem Faktor 50 h�her. Offensichtlich werden die Befunde stark vom Analysenverfahren beeinflusst. So wurden beispielsweise 1975 �ber hundertmal h�here Blutkonzentrationen f�r nicht beruflich Belastete aus den USA angegeben.

Bewertung

Mit der Einf�hrung der katalytischen Abgas-Nachbehandlung hat die Verbreitung der Platinmetalle in Stra�enn�he messbar zugenommen. Diese Entwicklung wird sich fortsetzen. In dieser Hinsicht muss nicht nur Platin beachtet werden, da in neueren Katalysatoren in st�rkerem Ma�e auch Palladium eingesetzt wird. Rhodium findet ebenfalls Verwendung. Es macht etwa ein F�nftel bis ein Zehntel der Edelmetallmenge im Katalysator aus.

Derzeit liegen die Platinmetall-Konzentrationen in Blut- und Urinproben nicht beruflich belasteter Menschen etwa nahe der Nachweisgrenze. Mit der weiteren Verbreitung der Katalysator-Technik ist mit einer Anreicherung von Platinmetallen in der Umwelt zu rechnen. Mittelfristig ist auch bei einer geringen Resorptionsquote mit einem Anstieg der inneren Belastung des Menschen zu rechnen. Dies wird sich vermutlich auch in Blut- und Urinproben der "Normalbev�lkerung" nachweisen lassen.

�ber die gesundheitlichen Auswirkungen der Platinmetall-Emission ist nach wie vor sehr wenig bekannt. Nur ein kleiner Teil der emittierten Platinmetallmenge ist nach heutigem Wissensstand bioverf�gbar. Vor allem muss darauf hingewiesen werden, dass bei der Wirkung zwischen der metallischen oder oxidischen Form und den einfachen sowie den Komplexsalzen der Platinmetalle unterschieden werden muss. Die vom Arbeitsplatz bekannten Sensibilisierungen beziehen sich auf die Salze und Komplexsalze und spielen daher f�r die Umwelt-Expositionen kaum eine Rolle. Da f�r Palladium eine gr��ere Bioverf�gbarkeit anzunehmen ist, erscheint der Ersatz von Platin durch Palladium unter gesundheitlichen Gesichtspunkten keinesfalls als Verbesserung.

Offen bleibt die Frage, wie sich Platin und andere katalytisch wirkende Metalle im K�rper verhalten, sofern sie in feinstverteilter Form, d.h. in einer Partikelgr��e im Nanometer-Bereich, angeboten werden, da unter diesen Bedingungen gr��ere L�slichkeit und h�here Bioverf�gbarkeit anzunehmen sind. Ob in den K�rperzellen biologische Effekte m�glich oder wahrscheinlich sind, und falls ja, mit welcher Auswirkung, ist noch unklar. Konkrete Hinweise auf biologische Wirkungen haben sich in den mehr als zehn Jahren seit Einf�hrung der Katalysatortechnik in Deutschland bisher nicht ergeben. Die Gefahren sind also nach dem gegenw�rtigen Wissensstand zwar als hypothetisch einzusch�tzen, aber nach wie vor nicht v�llig von der Hand zu weisen.

Der Nutzen der Katalysator-Technik ist hingegen eindeutig. Allm�hlich zeigt sich auch bei den Stickoxid-Immissionen in den Ballungsgebieten eine Trendwende, d.h. ein wenn auch langsamer R�ckgang der Immissionskonzentrationen trotz der weiteren Zunahme der Motorisierung. Auch die Verminderungen bei Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen sind deutlich. Die weitere Arbeit an der Verbesserung der Katalysator-Technik kann gerade f�r den Einsatz in Ballungsgebieten positive Wirkungen bringen. Sofern die optimale Betriebstemperatur schneller erreicht wird, kann in der Warmlaufphase die Emission sch�dlicher Abgaskomponenten weiter deutlich verringert werden.

Als Bilanz sind zwei Abschnitte der gemeinsamen Stellungnahme von Umweltbundesamt und Institut f�r Wasser-, Boden- und Lufthygiene des ehemaligen Bundesgesundheitsamtes von 1992 immer noch aktuell:

"Eine Wirkungsrelevanz dieser Kontamination, vor allem ein m�glicher Langzeiteffekt, ist derzeit zwar nicht zu erkennen; der Frage sollte aber aus Vorsorgegr�nden weiter nachgegangen werden. Hier besteht insofern noch Forschungsbedarf."

"Eine Abw�gung, bei der bekannte Probleme und hypothetische Risiken den positiven Auswirkungen der Katalysator-Technik gegen�bergestellt werden, ergibt nach heutigem Wissensstand nach wie vor eine positive Bilanz: Die Katalysator-Technik dient dem gesundheitlichen und allgemeinen Umweltschutz."

http://www.umweltbundesamt.de/verkehr/emissionen/schadstoffe/nemmispkw/emiplatin.htm

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