Säure-Base katalysierte Alkanaktivierung

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Papp
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2000 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5253536

Sulfatierte Zirkondioxid-Katalysatoren zeigen eine sehr hohe Aktivität für die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen. Diese müssen an der Oberfläche der Katalysatoren aktiviert werden. Die Art und Rolle der oberflächenaktiven Zentren und die detaillierten Reaktionsmechanismen der Alkanaktivierung auf atomarer Ebene sind noch nicht bekannt. Als Hauptziel des gemeinsamen Projektes soll geklärt werden, welche Zentren an der Oberfläche von sulfatiertem ZrO2 für die Alkanaktivierung aktiv sind und welchem Mechanismus die Aktivierung folgt. Das Verständnis der Aktivierung von Alkanen an Katalysatoren ist von weitreichender und grundlegender Relevanz, da Alkane die chemischen Rohstoffe der Zukunft sind. Die Arbeiten an vier Universitäten und dem Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft sollen in drei stark vernetzten Aufgaben-Clustern erfolgen. Diese sind um die Themen (i) Wege zur hochreproduzierbaren Katalysatorherstellung, (ii) Mechanismus der Alkan-Aktivierung und (iii) Charakterisierung der katalytisch aktiven Oberflächen-Zentren gruppiert. Teilziel I dieses Vorhabens ist das mikroskopische Verständnis einer ausgewählten heterogen katalysierten Reaktion, der Isomerisierung von n-Alkanen. Anhand von Struktur-Wirkungsbeziehungen sollen texturelle und elektronische Eigenschaften des Katalysatorsystems in Zusammenhang mit Selektivität und Aktivität gebracht werden. Entscheidende Informationen werden anhand von mikrokinetischen Modellierungen erwartet.Teilziel II soll die Beschreibung der Oberflächenchemie bei der Modifikation mit gasförmig eingebrachten Anionen(vorstufen) und die vergleichende Untersuchung solcherart modifizierter Oberflächen mit denen von konventionell hergestellten sulfatierten ZrO2-Katalysatoren sein. Als Teilziel III soll geklärt werden, auf welche Weise und an welchen Zentren ein Alkan an der Oberfläche eines schwer reduzierbaren Oxids aktiviert wird. Dazu gehört die Identifikation von Adsorptionszentren, die Bestimmung von Adsorptionsenthalpien und von Adsorbatstrukturen.Teilziel IV soll einen Beitrag liefern zum Verständnis eines Modellkatalysators unter Reaktionsbedingungen, d.h. bei höheren Temperaturen (500...800 K) und höheren Drucken der Adsorbenten bzw. Reaktanden (bis Atmosphärendruck). Als katalytischer Prozess wurde aufgrund der geplanten Kooperationen mit Arbeitsgruppen in der Chemie die Isomerisierung von n-Butan an ZrO2-Katalysatoren ausgewählt. Teilziel V ist gerichtet auf die quantenchemischen Untersuchung chemischer Reaktionen von Kohlenwasserstoffen auf ZrO2-Oberflächen.Im ersten Aufgaben-Cluster werden sulfatierte Zirkonoxide als dünne Filme auf Einkristalloberflächen (MLU Halle-Wittenberg), als Schichten auf Silizium-Scheiben (FHI) und als hochporöse Pulver (Uni Leipzig) hergestellt. Die so optimierten Katalysatoren werden im zweiten Aufgaben-Cluster in verschiedenen Mikroreaktor-Systemen getestet (Kreislauf-, TAP-Reaktor, in-situ-FTIR), (Uni Leipzig, TU-München, FHI). Im dritten Aufgaben-Cluster werden die Materialien in ihrer Wechselwirkung mit Alkanen durch eine Vielzahl komplementärer Analysentechniken (Rastertunnelmikroskopie, Photoelektronenspektroskopie, LEED, Thermodesorption, Kalorimetrie, IR-Spektroskopie) untersucht. Durch die Kooperation der hier beteiligten Gruppen, deren Methodenspektrum von der Technischen Chemie (Präparation und Charakterisierung der Katalysatoren sowie Bestimmung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen und Mikrokinetische Modellierung), der Oberflächenchemie und -physik (Thermodesorption, RTM, AFM, XPS, LEED) und der Theoretischen Chemie (DFT, ab initio MD) reicht, wird die Untersuchung von sulfatiertem ZrO2 in verschiedenen Varianten (wohldefiniertes Pulver, nano- sowie einkristalline Filme) ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1091: Brückenschläge zwischen idealen und realen Systemen in der heterogenen Katalyse
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Cornelia Breitkopf