Überbrücken der Material- und Drucklücke bei oxidischen Katalysatoren: Entschlüsselung der Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von Ceriumoxid in der (umgekehrten) Wassergas-Shift-Reaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Wöll
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544145964

Dieses bahnbrechende Projekt vereint Expertise in den Bereichen Modellkatalyse, multifunktionale katalytische Materialentwicklung und maschinelles Lernen. Es bietet die einmalige Chance, die zielgerichtete Entwicklung und das Verständnis von Katalysatoren auf Ceroxidbasis voranzutreiben. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Katalysatoren mit erhöhter Aktivität, überlegener Selektivität und Stabilität. Ziel ist es, ein tiefes Verständnis der komplizierten Beziehung zwischen Katalysatorstruktur und Leistung zu erlangen: Entschlüsselung der aktiven Phase, der potenziell aktiven Stellen, ihrer architektonischen Konfiguration und ihrer Rolle bei der Bildung von Oberflächenspezies für den untersuchten Prozess. In der heterogenen Katalyse auf Festkörperoberflächen prägen die Oberflächenzusammensetzung, die elektronische Struktur und die geometrischen Merkmale die katalytischen Eigenschaften. Während Einkristall-Modellkatalysatoren unter UHV-Bedingungen grundlegende Erkenntnisse liefern, besteht die Herausforderung darin, die "Materiallücke" und die "Drucklücke" zwischen Einkristallen und bei Atmosphärendruck arbeitenden Pulverkatalysatoren zu schließen. Nanokristalle mit homogener Zusammensetzung und Struktur stellen eine praktikable Lösung dar und bilden eine Brücke zwischen Einkristallen und Pulverkatalysatoren. Ceroxid-Nanokristalle mit ihren vielfältigen Morphologien bilden eine ideale Plattform zur Erforschung morphologieabhängiger katalytischer Eigenschaften. Zwei Richtungen werden verfolgt: Modellkatalysatoren auf der Grundlage von Einkristallen und "echte" Katalysatoren in Pulverform. Ersteres beinhaltet die Charakterisierung makroskopischer Oxid-Einkristalle mittels XPS, LEED, NEXAFS, wobei eine sorgfältige Studie über relevante Adsorbate (H2O, CO, CO2, -OH) auf Ceroxid mittels IRRAS durchgeführt wird. Gleichzeitig umfasst die Synthese von Pulvermaterialien die Herstellung von Nanowürfeln, Nanooktaedern und Nanostäbchen aus CeO2 sowie polykristallinem CeO2-Pulver. Die strukturelle und physikochemische Charakterisierung umfasst Techniken wie N2-Physisorption, XRD, HRTEM, gefolgt von detaillierten Adsorptionsstudien mit den genannten Adsorbaten und verschiedenen Varianten der Infrarotspektroskopie von kompatiblem UHV bis 1 mbar im Transmissionsmodus (80-800K). Der DRIFT-Modus erlaubt das Arbeiten bei bis zu 1 bar für Operando-Studien der (R)WGS-Reaktion. Die Erforschung der komplizierten chemischen Natur echter Reaktionsintermediate in metallgestützten (Pt oder Cu) Ceroxid-Katalysatoren unter Arbeitsbedingungen wird den Einsatz fortschrittlicher Techniken wie modulierte Anregungsspektroskopie mit phasenempfindlicher Detektion beinhalten. Darüber hinaus werden im Rahmen des Projekts hochmoderne Deep-Learning-Modelle zur Vorhersage von Strukturen aus Infrarotspektren eingeführt, um die Vorhersagefähigkeiten zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Partnerorganisation: Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Alejo Aguirre; Professor Dr. Adrian Bonivardi; Professor Dr. Matias F. Gerard; Professor Dr. Diego H. Milone; Dr. Julia Vecchietti
• Mitverantwortlich: Dr. Alexei Nefedov