Maßgeschneiderte Heteroaggregate aus der Gasphasensynthese für heterogen katalysierte transiente Reaktionen

Projektleitung:

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Mädler
Universität Bremen

Prof. Dr.-Ing. Robert Güttel
Universität Ulm

In der heterogenen Katalyse spielen Heterokontakte als Schnittstellen zwischen Aktiv- und Trägermaterial eine Schlüsselrolle. Metallnanopartikel sind i. d. R. auf einem Trägermaterial immobilisiert, um ihre Größe und Verteilung zu kontrollieren, sowie ihre Stabilität zu verstärken. Die Trägermaterialien sind oft nicht inert, wodurch an den Heterokontakten zusätzliche Eigenschaften auftreten, welche das katalytische Verhalten drastisch beeinflussen. Ferner können sich neue aktive Zentren in der Nähe des Kontakts bilden. Somit erlaubt die Kontrolle und das Verständnis von Heterokontakten in festen Katalysatoren die Möglichkeit, das katalytische Verhalten zu steuern oder zu verstärken.

Die Synthese von Modellkatalysatoren mit definierten Heterokontakten, welche für die Isolation spezifischer Materialeigenschaften nötig sind, stellt allerdings mit traditionellen nasschemischen Methoden immer noch eine Herausforderung dar. Aus diesem Grund wird in diesem Projekt die Mehrflammensprühpyrolyse als Einzelschritt-Syntheseroute eingesetzt, in der auf die Bildung von Primärpartikeln eine kontrollierte Mischung und Heteroaggregation in der Gasphase folgt. Dies erlaubt das präzise Einstellen der Heterokontakteigenschaften, wie bspw. deren Anzahl und chemische Natur, sowie die Primärpartikelgröße. Um Spillover-Effekte von einfachen Adsorptions-/Desorptionseffekten zu unterscheiden, wird die Dreiflammensprühpyrolyse als neuartige Technik etabliert, um ABC-Modellsysteme zu generieren, in welchen die Anzahl und Größe der Heterokontakte zwischen den Komponenten A, B und C individuell eingestellt werden können.

Ziel ist es, die Eigenschaften der Heterokontakte mit den katalytischen Eigenschaften der Materialien unter transienten Bedingungen zu korrelieren. Hierfür werden definierte Heteroaggregate mit maßgeschneiderten Eigenschaften in der Gasphase synthetisiert und umfassend mit BET, XRD, TPX und TEM charakterisiert. Die Qualität des Materials in Bezug auf Clustergrößen und Anzahl an Heterokontakten wird durch die Analyse von HAADF-STEM-Bildern mithilfe von Convolutional Neural Networks in einer etablierten Zusammenarbeit im SPP2289 erreicht. Anschließend wird der Einfluss der Materialeigenschaften auf die katalytische Aktivität, die Sorptionseigenschaften und das Deaktivierungsverhalten unter dynamischen Bedingungen für geeignete Beispielreaktionen mithilfe der periodisch-transienten Kinetik-Methode untersucht. Als Beispielreaktion wird hierfür die die CO₂-Hydrierung zu CH₄ und CO herangezogen, da an dieser Reaktion mehrere gasförmige Spezies (CO₂, CO, H₂, CH₄ und H₂O) teilnehmen, welche ein individuelles transientes Verhalten aufweisen. Auf diese Weise können die transienten Antworten der gasförmigen Spezies schließlich mit den Heterokontakteigenschaften und den Syntheseparametern korreliert werden.