Synchrotronbasierte Untersuchung von Ir-Modellkatalysatoren für die Ammoniakoxidation operando

• Antragsteller: Fernando García Martinez, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574114707

Ziel dieses Forschungsantrags ist es, unser Verständnis der operando-Oberflächenchemie von Iridium (Ir)-Katalysatoren während der Ammoniakoxidation zu vertiefen. Ein besseres Verständnis dieser katalytischen Reaktion auf Ir-Modelloberflächen birgt erhebliches technologisches Potenzial, etwa zur Senkung von Betriebskosten und zur Verbesserung der Selektivität im Ostwald-Verfahren. Unsere Ergebnisse könnten somit zur Entwicklung kosteneffizienter Katalysatoren mit geringerem Edelmetallanteil beitragen. Im Ostwald-Verfahren wird Ammoniak (NH₃) durch die Ammoniakoxidationsreaktion (AOR) durch Sauerstoff (O₂) zu Stickstoffmonoxid (NO) umgesetzt. Anschließend wird NO in Salpetersäure (HNO₃) umgewandelt, einer Schlüsselchemikalie der Düngemittelproduktion. Eine partielle Oxidation von NH₃ zu Stickstoff (N₂) und Distickstoffmonoxid (N₂O) kann ebenfalls auftreten, ist jedoch unerwünscht, da diese Nebenprodukte nicht zu HNO₃ weiterverarbeitet werden können. Ein besseres Verständnis der Selektivität während der AOR könnte daher die Effizienz des industriell bedeutenden Ostwald-Verfahrens erheblich steigern. In der industriellen Produktion erfolgt die AOR bei Drücken von mehreren Bar, um die Bildung von NO zu befördern. Oberflächenempfindliche Messungen bei solchen Drücken sind jedoch aus diversen technischen Gründen schwierig umzusetzen, experimentelle Studien werden stattdessen häufig bei Drücken von etwa 10⁻⁹ Bar durchgeführt. Wir beabsichtigen, dieses pressure gap mithilfe modernster Messmethoden an PETRA III zu überbrücken, um zu erforschen, wie die Aktivität und Selektivität der AOR unter industrienahen Bedingungen von der Oberflächenstruktur des Katalysators beeinflusst wird. Dazu werden wir die AOR mit atomarer Auflösung mittels Photoelektronenspektroskopie und Oberflächendiffraktion unter operando-Bedingungen (unterschiedliche O₂+NH₃-Gemische bei Drücken von 0,1 - 0,5 Bar) mit verschiedenen Ir-Modelloberflächen untersuchen. Dies wird es uns ermöglichen, Zusammenhänge zwischen Struktur und katalytischer Aktivität zu entwickeln, welche unmittelbarem wissenschaftlichen Einfluss auf das Gebiet der Ir-basierten Oberflächenkatalyse haben und zur wissenschaftsbasierten Entwicklung umweltfreundlicher Katalysatoren beitragen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen