Räumlich aufgelöste operando-Charakterisierung katalytisch aktiver Spezies und Zentren während der CO2-Aktivierung

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Hess
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561060456

Im Zusammenhang mit der Erderwärmung stellt sich die globale Herausforderung, die Menge an atmosphärischem CO2 zu verringern. Neben anderen Maßnahmen stellt insbesondere die katalytische Umwandlung von CO2 zu Wertprodukten (z.B. Methanol) einen nachhaltigen Ansatz zur Reduktion von CO2-Emissionen und der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern dar. Für die wissensbasierte Entwicklung verbesserter Katalysatoren ist die Analyse der Katalysatorstruktur und insbesondere der aktiven Zentren unter Reaktionsbedingungen von zentraler Bedeutung. Es ist bekannt, dass sich in katalytischen Reaktoren aufgrund des sich ändernden chemischen Potentials Gradienten ausbilden, welche die Katalysatoreigenschaften modifizieren. Für ein umfassendes Verständnis der Funktionsweise von Katalysatoren für die CO2-Umsetzung, auch im Hinblick auf eine mögliche Prozesskontrolle, ist daher die Entwicklung räumlich-aufgelöster Methoden notwendig, welche die katalytisch aktiven Spezies und Zentren entlang des Katalysatorbetts identifizieren können. Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, mittels eines Profilreaktors und unter Verwendung von optischer Spektroskopie unter Arbeitsbedingungen, räumlich-aufgelöste Einblicke in die Natur der aktiven Spezies und Zentren von AuZnCe- und CuZnCe-Katalysatoren in der reversen Wassergas-Shift-Reaktion zu erhalten. Zur Identifizierung der katalytisch aktiven Spezies und Zentren wird die kürzlich in der Arbeitsgruppe entwickelte Modulations-Anregungs-Spektroskopie (MAS) eingesetzt, welche die Aufnahme transienter Raman- und UV-Vis-Spektren erlaubt, während die MAS-IR-Spektroskopie unter Isopotential-Bedingungen angewendet wird. Zudem soll die Erweiterung der transienten Raman-Spektroskopie zur oberflächenverstärkten Spektroskopie (SERS) ausgelotet werden, durch welche sich die Empfindlichkeit und Oberflächenspezifität der Raman-Analyse signifikant steigern läßt. Die Katalysator-Charakterisierung wird durch weitere in situ-/operando-Methoden wie die Röntgenbeugung, Impedanz- und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie sowie durch elektronenmikroskopische Methoden unterstützt. Das Forschungsvorhaben zielt insbesondere auf die räumlich-aufgelöste Analyse der aktiven Katalysatorzentren und aktiven Adsorbatspezies sowie deren Korrelation mir den katalytischen Eigenschaften (Aktivität, Selektivität, Stabilität) während der reversen Wassergas-Shift-Reaktion ab. In diesem Zusammenhang soll auch das Wechselspiel aus Oberflächen- und Volumenchemie (UV-Vis, IR, SERS) inklusive Defektdynamik (Raman) adressiert werden, und geklärt werden, inwieweit sich das Verhalten in Abhängigkeit von der Reaktorposition und -Temperatur ändert. Durch Variation des Metalls (Au, Cu) sollen metallspezifische Einflüsse auf die Katalyse, wie z.B. Legierungsbildung, Metall-Träger-Wechselwirkungen bzw. elektronische Effekte näher untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Profilreaktor mit Spektroskopiezugang
• Gerätegruppe: 1110 Reaktionsgefäße für Niederdruck, (Hydrierung, Katalyse, Polymerisation)