Daria Martin, Schering Stiftung Projektraum

 

Schering Preis 2006

Dr. Tobias Schalow

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin

"Modelluntersuchungen zur Beschreibung der Zusammenhänge zwischen mikroskopischer Struktur und Aktivität von heterogenen Pd-Katalysatoren"

In vielen Prozessen der chemischen Industrie, der Umweltschutztechnik und der Energietechnik werden heterogene Katalysatoren zur Verbesserung der Prozessführung eingesetzt, die aus fein verteilten Metallpartikeln von einigen Nanometern Größe auf einem oxidischen Trägermaterial bestehen. Als prominentestes Beispiel sei der im Pkw zur Abgasreinigung verwendete Drei-Wege-Katalysator genannt. Es wird oftmals festgestellt, dass die Aktivität solcher Katalysatoren empfindlich von der Morphologie und Struktur ihrer Oberfläche abhängt. Allerdings sind die konkreten Zusammenhänge zwischen den strukturellen Eigenschaften der Oberfläche und der katalytischen Aktivität auf mikroskopischer Ebene oft nicht genau bekannt.

In dieser Arbeit wurde die katalytische Aktivität von Palladiumpartikeln auf einem Eisenoxidträger am Beispiel der CO-Oxidation in einem weiten Parameterbereich untersucht. Um die Zusammenhänge zwischen Aktivität und Oberflächenstruktur des Katalysators präzise bestimmen zu können, wurden die Experimente mit Modellkatalysatoren, deren Struktur mit Methoden der Oberflächenphysik auf mikroskopischer Ebene detailliert charakterisiert werden kann, unter wohl-definierten Reaktionsbedingungen in einer Vakuum¬apparatur durchgeführt.

Zunächst wurde die Struktur des Modellkatalysator unter verschiedenen Reaktionsbedingungen eingehend untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich in einer oxidierenden Atmosphäre in Abhängigkeit der Temperatur verschiedene Sauerstoffspezies auf den Pd-Partikeln bilden können: Während Sauerstoff bei niedrigen Temperaturen hautsächlich auf der metallischen Oberfläche der Pd-Partikeln adsorbiert, können bei Temperaturen um 500 K große Mengen an Palladiumoxid gebildet werden. Die Bildung des Palladiumoxids findet zunächst hauptsächlich an der Grenzfläche zwischen den Pd-Partikeln und dem Eisenoxidträger statt. Unter reduzierenden Reaktionsbedingungen kann sich das Palladiumoxid unter Abgabe von Sauerstoff wieder zersetzen. Die Grenzflächenoxidschicht stellt daher eine Art Sauerstoff¬reservoir dar, das unter oxidierenden Bedingungen angereichert und unter reduzierenden Bedingungen Sauerstoff für katalytische Oberflächenreaktionen zur Verfügungen stellen kann. Die Effizienz dieses reversiblen Sauerstoffspeichermechanismus ist stark von der Struktur der Pd-Teilchen abgängig und nimmt mit steigender Teilchengröße drastisch ab. Aus diesem Grund können Katalysatoren mit kleineren Pd-Partikeln deutliche größere Sauerstoffmengen speichern als Systeme bestehend aus sehr großen Pd-Partikeln.

Zusätzlich zum Grenzflächenoxid können bei Temperaturen oberhalb von 500 K unter oxidierenden Bedingungen auch Pd-Oxidspezies auf der Partikeloberfläche gebildet werden. Die Bildung dieser Pd-Oberflächenoxide ist mit einer starken Veränderungen der Oberflächenstruktur der Pd-Teilchen verknüpft. Es konnte gezeigt werden, dass die Reaktionswahrscheinlichkeit der CO-Oxidation mit Sauerstoff aus Pd-Oberflächenoxid deutlich geringer ist als mit adsorbiertem Sauer¬stoff auf metallischem Pd. Aus diesem Grund nimmt die Aktivität des Pd-Katalysators für die CO-Oxidation mit zunehmender Bedeckung der Pd-Partikel mit Oberflächenoxiden sehr stark ab.

Zusammenfassend konnte in der Arbeit gezeigt werden, wie sich die Oberflächen¬struktur von heterogenen Pd-Katalysatoren auf mikroskopischer Ebene in Abhängigkeit der Reaktions¬bedingungen verändert. Diese Veränderungen der Oberflächenstruktur des Pd-Katalysator¬s, die mit der  Bildung von verschiedenen Pd-Oxidspezies verbunden sind, haben einen großen Einfluss auf die katalytische Aktivität der Pd-Teilchen, wie am Beispiel der CO-Oxidation demonstriert werden konnte.

Tobias Schalow

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