Die heterogene photokatalytische Oxidation von Distickstoff zu Stickoxiden in der Gasphase: Mechanismus und Kinetik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Gerd Bacher; Dr. Jonathan Bloh; Professorin Dr. Jennifer Strunk
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502052591

Das Ziel dieses Projektes ist es, ein detailliertes Verständnis über die photokatalytische Oxidation von N2 zu Stickoxiden an der Oberfläche von Halbleitern zu erlangen. Diese kürzlich entdeckte interessante Reaktion könnte einen vollkommen neuen Weg zur nachhaltigen Synthese von Nitraten ermöglichen, welche zum Beispiel als (solare) Düngemittel eingesetzt werden können. Die Durchführung der Reaktion in der Gasphase hat den signifikanten Vorteil, dass das Wasser-zu-Stickstoff-Verhältnis genau eingestellt werden kann und somit die Wasseroxidation und -reduktion als unerwünschte Nebenreaktionen unterdrückt werden. Es gibt aktuell jedoch nur sehr wenig Wissen über diese Reaktion daher soll dieses Projekt den Grundstein für ein detailliertes mechanistisches und kinetisches Verständnis der Reaktion legen. Dieses herausfordernde Ziel soll mit der gebündelten Expertise der Projektpartner aus den komplementären Bereichen der Spektroskopie, Katalyse und Reaktionstechnik bewältigt werden.Das erste Schritt auf diesem Weg ist es, die Materialbilanz der Reaktion vollständig zu schließen, dafür müssen alle Reaktanden und Produkte identifiziert werden, einschließlich derer der korrespondieren Reduktionsreaktion. Dies ermöglicht es anschließend, die analytischen Methoden ideal einzustellen und ein Protokoll für einen Schnelltest für eine Routinebewertung der Katalysatoren zu entwickeln. Da es aktuell noch keine systematische Studie dazu gibt, werden passende Co-Katalysatoren für die N2-Oxidation identifiziert, indem systematisch verschiedene Metallionen (V, Mo, W, Fe, Pd, Pt, Cu) und deren Oligomere auf TiO2 verankert werden und anschließend deren photokatalytische Aktivität gemessen wird. Diese Metalle wurden ausgewählt basierend auf bekannter Reaktivität in der Stickstoff-Oxidation oder der NO-Zersetzung als Umkehrreaktion. TiO2 wird als photoaktiver Träger eingesetzt, da es bekanntermaßen für diese Reaktion aktiv ist und daher auf jeden Fall passende optoelektronische Eigenschaften aufweist.Das Kernziel ist es dann anschließend sowohl den Mechanismus als auch die Kinetik der Reaktion aufzuklären, in Abhängigkeit der eingesetzten Reaktionsbedingungen (z.B. Temperatur, Gasphasen-Zusammensetzung, Lichtintensität). Durch den Einsatz von in situ und zeitaufgelöster Laser-Spektroskopie können sowohl die Dynamik der Ladungsträger im Halbleiter als auch ihre Wechselwirkung mit den katalytisch aktiven Zentren erforscht werden. Mit Hilfe von Raman- und Infrarotspektroskopie werden Oberflächenintermediate und das Adsorptionsverhalten untersucht. Diese Informationen werden anschließend mit den Daten zur Reaktionsrate und Produktspektrum verknüpft, um ein holistisches mechanistisches und kinetisches Modell zu erhalten, welches die ideale Grundlage für weitere Untersuchungen bildet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2370: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden ("Nitroconversion")