Der Einfluss des Ladungstransports in Hochleistungsoxidationskatalysatoren auf Aktivität und Selektivität: Kontaktlose Messung von Hall-Ladungsträgermobilitäten und -konzentrationen unter Reaktionsbedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Maik Eichelbaum
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224546003

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer mikrowellenbasierten kontaktlosen spektroskopischen Methode zum Studium des dynamischen Ladungstransports in ausgewählten Oxidationskatalysatoren unter Reaktionsbedingungen. Der Mikrowellen-Hall-Effekt soll mit Hilfe der Mikrowellenresonatorstörungsmethode gemessen werden, um die Ladungsträgerdichte, -mobilität sowie Ladungsträgerart (Elektron, Defektelektron, Ion) von Pulverkatalysatoren in einem Festbett-Durchflussreaktor quantitativ zu bestimmen. Durch die Variation der Reaktionstemperatur, der Zusammensetzung der Gasphase sowie der Raumzeitgasgeschwindigkeit (bzw. Kontaktzeit) soll der Zusammenhang dieser Messgrößen mit der katalytischen Aktivität und Selektivität für ausgewählte Katalysatorsysteme und Reaktionen ermittelt werden. Als Beispielreaktionen wurden die selektive Oxidation von Propan zu Acrylsäure und n-Butan zu Maleinsäureanhydrid an Vanadiumphosphaten und -oxiden ausgewählt. Ziel ist es, zwischen Ladungstransferprozessen auf der Katalysatoroberfläche bzw. in oberflächennahen Bereichen und im Volumen sowie zwischen der Ladungsträgerzahl und deren Beweglichkeit zu differenzieren und deren jeweilige Bedeutung für die katalytische Leistung zu identifizieren. Zu diesem Zweck ist die von uns entwickelte Mikrowellenresonatorstörungstechnik zur Charakterisierung heterogener Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen auf die Messung des Mikrowellen-Hall-Effekts in einem bimodalen Resonator in einem statischen Magnetfeld zu erweitern und mit geeigneten Einkristallen und Pulvern zu kalibrieren. Die Resultate sollen durch Tiefenprofil-Analyse der Katalysatoroberflächen mit in-situ Photoelektronenspektroskopie sowie weiteren im Institut vorhandenen in-situ und ex-situ spektroskopischen Methoden, Röntgenpulverdiffraktometrie und Thermoanalyse chemisch plausibel gemacht werden. Desweiteren haben wir das Ziel, die bisher mögliche Messung der Mikrowellenleitfähigkeit bei ca. 9 GHz auf den Frequenzbereich zwischen 1 und 20 GHz durch die Konstruktion entsprechender Resonatoren zu erweitern, um den Einfluss von Partikel-Partikel- und Korn-Korn-Grenzflächen im Katalysatorpulver auf die Leitfähigkeit zu studieren und einen Zusammenhang mit Messungen bei niedrigen Frequenzen bzw. im DC-Bereich herstellen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen