Stabilization of nanoscale noble metal islands on oxide supports by manipulation of the surface texture
Chemical and Thermal Process Engineering
Final Report Abstract
Mittels Gasphasensynthese sowie mittels eines Sol-Gel-Prozesses wurden Silikapartikeln, Aluminiumoxid (Al2O3) sowie Titandioxidpartikeln mit verschiedenen Oberflächenstrukturierungen hergestellt. Hierbei wurden unterschiedliche Möglichkeiten der Strukturierung geprüft. Zur Charakterisierung der erzeugten Oberflächentexturen wurde die Röntgenstreuung (SAXS/WAXS) eingesetzt. Platin konnte mittels eines Aerosol- und eines Festbett-CVD-Prozesses auf diese Trägerstrukturen aufgebracht werden. Die Stabilität der geträgerten Systeme wurde überprüft und konnte im Vergleich zu nicht-strukturierten Trägeroberflächen deutlich verbessert werden. Strukturbildung: Mittels chemischer Gasphasensynthese konnten strukturierte Silika- und Titandioxidpartikeln hergestellt werden. Hierbei wurden zunächst kugelähnliche Einstoffpartikeln aus Silika, Aluminiumoxid sowie Titandioxid erzeugt. Anschließend wurden Zweistoffsysteme aus Silika und Titandioxid hergestellt. Schließlich wurde Wasserdampf als Reaktivgas in den Sinterreaktor geleitet, um dessen Wirkung auf den Sinterprozess zu untersuchen und Möglichkeiten der Texturierung zu erkunden. Als weitere Variante der Partikel- und Strukturbildung wurde mit dem Stöber-Verfahren ein Flüssigphasenprozess genutzt, um Silikapartikeln mit strukturierter und mesoporöser Oberfläche zu generieren. Hier wurde der Prozess in einer Weise gesteuert, um eine Bildung massiver und ideal kugelförmiger Silikapartikeln zu verhindern. Eine Charakterisierung der so hergestellten Partikeln erfolgte zum einen optisch über TEM- Aufnahmen, zum anderen quantitativ über die Röntgenstreuung. Die chemische Zusammensetzung der Partikeln wurde darüber hinaus mit Röntgenphotoemissionsspektrometrie (XPS) charakterisiert. Die TEM-Aufnahmen der glatten Einstoffpartikeln zeigten eine nahezu ideale Kugelform und, mit Ausnahme von Al2O3, glatte Oberflächen. Werden Mischoxidpartikeln erzeugt, so zeigen diese in Abhängigkeit von der Zusammensetzung unterschiedlich starke Strukturierungen der Oberfläche. Ebenso zeigte der Einsatz von Wasser als Reaktivgas im Sinterreaktor einen Effekt auf die Struktur von Einstoffpartikeln aus Silika. Es waren sowohl leichte Abweichungen von der Kugelform wie auch brombeerartige Oberflächenstrukturierungen sichtbar. In beiden Fällen war jedoch die Reproduzierbarkeit der Strukturierungen nicht ausreichend, weshalb diese Ansätze nicht weiterverfolgt wurden. Die mittels Flüssigphasenprozess generierten Silika-Partikeln wiesen deutliche Unterschiede in der Oberflächenstruktur auf. Hier konnten sowohl mesoporöse Strukturen hergestellt werden, bestehend aus vielen kleinen Silikakugeln, welche eine massive Kugel umgaben, wie auch Kugeln mit einer stark strukturierten Oberfläche. Geeignete Strukturen wurden mithilfe eines Aerosol- bzw. Festbett-CVD-Prozesses mit Pt Partikeln belegt. Die Verfahrensführung erlaubte insbesondere im Aerosol-Prozess eine gute Steuerung der Partikelbildung, so dass vergleichbare Pt-Partikeln auf den unterschiedlichen Trägern generiert werden konnten. Funktionsuntersuchung: Die thermische Stabilität der geträgerten Systeme wurde qualitativ sowie quantitativ untersucht. Um Vorgänge experimentell nachzustellen, wie sie in technischen Prozessen durch hohe Temperaturen und lange Standzeiten ablaufen, wurden die Partikeln bei Temperaturen bis 800°C über mehrere Stunden gealtert. Das Ergebnis dieser in-situ und exsitu durchgeführten Temperexperimente wurde im Elektronenmikroskop (TEM) und mithilfe der SAXS in Form von Partikelgrößenverteilungen bzw. Mittelwerten quantifiziert. Eine Zunahme der Stabilität der geträgerten Systeme gegen das thermische Sintern durch Strukturierung konnte gezeigt werden. Die Arbeiten zeigten, dass durch die Veränderung der Oberflächenstruktur eine Stabilisierung geträgerter Systeme möglich ist. Um allgemeine Aussagen zum Zusammenhang zwischen Rauigkeit und Stabilität machen zu können reichen die Ergebnisse allerdings nicht aus. Unklar ist weiterhin ob die Ergebnisse der SAXS bezüglich der fraktalen Dimension der Partikeloberfläche geeignet für eine solche Korrelation sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um schließlich eine Systematik ableiten zu können, welche eine Übertragung von Ergebnissen auf andere Stoffsysteme erlaubt.
