Katalyse vermtitel durch Sauerstoffspeicherung: HCl Oxidationsreaktion über CeO2-x(111)-basierten Modell Katalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Janek; Professor Dr. Herbert Over
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449135831

Heterogene Katalyse wird üblicherweise als ein reines Oberflächen-Phänomen angesehen, bei welchem die Edukte an der Katalysatoroberfläche zum gewünschten Produkt umgesetzt werden. Für gemischtleitende (Elektronen- und Ionenleitung) reduzierbare Oxide, wie etwa CeO2, ist diese Sichtweise allerdings zu eng, da der Katalysator nicht nur Elektronen mit den Reaktanden austauscht, sondern auch Sauerstoff-Ionen aus dem Volumen des Katalysatormaterials direkt an der katalytischen Reaktion teilnehmen können. Ein erster Ansatz, um die Festkörperdefektchemie (solid state ionics) mit der heterogenen Katalyse zu verknüpfen, basiert auf dem Konzept der Sauerstoffspeicherung (OSC: Oxygen Storage Capacity). Die Beziehungen zwischen der Festkörperdefektchemie und der heterogenen Katalyse sind jedoch vielschichtiger als dies durch die OSC alleine erfasst werden kann. Die Sauerstoffdefektchemie nimmt in vielfältiger Weise Einfluss auf die Katalysatoreigenschaften, wie etwa auf die elektronische Struktur oder die Chemie der katalytisch aktiven Plätze. In diesem Projekt soll die enge Beziehung zwischen heterogener Katalyse und Festkörperdefektchemie anhand einer technisch wichtigen, heterogen-katalysierten Reaktion untersucht werden: der Rückgewinnung von Chlor aus dem industriell omnipräsenten Nebenprodukt HCl (Deacon-Prozess) durch katalytische Oxidation über CeO2-Katalysatoren. Der Deacon-Prozess erlaubt es, auf diese Weise industrielle Prozesse hinsichtlich des Chlorkreislaufs zu schließen. Hierzu sollen Experimente zur Oberflächenchemie und Festkörperdefektchemie an geeigneten einkristallinen CeO2-x(111)-Dünnfilmmodellsystemen durchgeführt werden, um im engen Zusammenspiel mit Dichtefunktionaltheorie-Methoden (DFT) den Reaktionsmechanismus aufzuklären. Wir werden dazu eine CeO2-x(111)-Dünnschichtelektrochemiezelle entwickeln, die es erlaubt die Sauerstoffdefektkonzentration durch elektrochemisches Pumpen unabhängig von den Reaktionsbedingungen variieren zu können. Damit können wir mithilfe eines speziell konstruierten Satzreaktors den Einfluss der Sauerstoffdefekte im Volumen und an der Oberfläche auf die Kinetik der katalysierte HCl-Oxidation beleuchten und mit operando Synchrotron-basierten Methoden die Oberflächenstruktur und Ce3+-Konzentration bestimmen. Insbesondere kann die katalytisch aktive Phase identifiziert und deren Stabilität unter Reaktionsbedingungen untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Professor Dr. Edvin Lundgren