Selektive katalytische Reduktion von NOx mit Ammoniak an Cu-SSZ13 Katalysatoren: Untersuchung zum ausgeprägten Verhalten des NOx Umsatzes mit zwei Maxima

• Antragsteller: Professor Dr. Jan-Dierk Grunwaldt
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325032706

Cu-haltige Zeolithe mit Chabasitstruktur, wie Cu-SSZ-13 und Cu-SAPO-34, haben aufgrund ihrer ausgezeichneten Aktivität in der selektiven katalytischen Reduktion von NOx mit NH3 und ihrer hohen thermischen Stabilität sowie Vergiftungsresistenz gegenüber Kohlenwasserstoffen beachtliche Aufmerksamkeit erfahren. Zahlreiche Studien wurden in den vergangen Jahren veröffentlicht, die systematisch den Einfluss von Herstellungsmethoden, Aktivität und Deaktivierung, Reaktionsmechanismus und Kinetik untersucht haben. Eine große Herausforderung, um detaillierte Kenntnisse über den Reaktionsmechanismus zu erhalten, liegt im sehr dynamischen Verhalten der Cu-Zentren, was Variationen des Oxidationszustands, der Position innerhalb des Zeoliths und Wechselwirkungen mit den Reaktanden (NOx und NH3) und anderen anwesenden Molekülen (H2O) betrifft. Dies bedarf der Charakterisierung unter Reaktionsbedingungen unter Nutzung sogenannter "operando" Techniken. Mit dem vorliegenden Antrag soll das Verständnis dieser Aspekte vertieft und insbesondere das Zwei-Maxima-Profil (bezeichnet als "seagull shape") der Standard-SCR Reaktion verstanden werden, das sowohl für Modell- als auch für kommerzielle Cu-SSZ-13 Katalysatoren beobachtet wurde. Hierzu werden zum einen systematische kinetische Studien an gut-definierten Cu-SSZ-13 Katalysatoren durchgeführt, zum anderen operando-Untersuchungen, um relevante Struktur-Aktivitätsbeziehungen zu erhalten. Weiterhin sollen die stark diskutierten Redoxschritte (z.B. Cu+-Reoxidation) innerhalb der SCR-Reaktion untersucht werden. Die Studien werden gestützt durch gezielte Variation während der Synthese (z.B. Cu-Beladung, Si/Al-Verhältnis) und umfassende Charakterisierung der Materialien. Aufgrund ihres herausragenden Potentials sollen insbesondere neue operando Photon-in/Photon-out Röntgentechniken basierend auf hochaufgelöster Röntgenabsorptionsspektroskopie (HERFD-XAS) und Röntgenemissionsspektroskopie (XES) genutzt werden, um Intermediate des Reaktionsmechanismus aufzuspüren. Dazu gehören beispielsweise die Art der Wechselwirkung von NOx und NH3 mit den Cu-Zentren bei verschiedenen Temperaturen im Bereich des "seagull"-Profils. Ferner wird der Katalysator in Gegenwart realistischer Gasmischungen und Temperaturen sowohl mit orts- (Micrometer-Bereich) als auch zeitaufgelöster (ms-Bereich) Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht, um das dynamische Verhalten der elektronischen Struktur und der lokalen Koordination während der verschiedenen Redoxschritte innerhalb der SCR aufzudecken. Das vorgeschlagene Projekt soll signifikante Informationen zu grundlegenden mechanistischen Details liefern. Ein Verständnis der Vorgänge, die zu einer Katalysatordeaktivierung im mittleren Temperaturbereich führen, sowie der Redoxchemie an den Cu-Zentren während der SCR im kompletten Temperaturfenster hat eine hohe Relevanz für die weitere Entwicklung dieser Katalysatorsysteme und zum Erstellen verbesserter mikrokinetischer Modelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen