Anschlussprojekte
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik
University of California, Berkeley
Department of Chemical Engineering
Charakterisierung von Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Katalysatoren mittels in-situ Methoden der Spektroskopie und katalytischer Experimente
Ziel dieses gemeinsamen Projektes ist ein detailliertes Verständnis über den Zusammenhang von Aufbau und Performance von neuartigen Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Katalysatoren. Diese Materialien besitzen großes Potential für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen, da sie sowohl die Vorteile von homogenen als auch heterogenen Katalysatoren vereinen. Gemäß den Ergebnissen aus der ersten Förderung sind in-situ spektroskopische Methoden wie z.B. FTIR und Festkörper-NMR sehr gut geeignet um die Zusammensetzung und Struktur von SILP Katalysatoren zu untersuchen. Es zeigte sich hierbei auch, dass die gewünschten Katalysatoreigenschaften wie hohe Aktivität, Selektivität und Stabilität von dem Zusammenspiel mehrerer Faktoren abhängen. Aus diesem Grund sollen weitere spektroskopische Methoden (z.B. STEM-EELS) gemeinsam mit katalytischen Untersuchungen genutzt werden, um dadurch ein tiefgründiges Verständnis über den Zusammenhang von Aufbau und Performance von SILP Katalysatoren zu erhalten. Die gezielte Optimierung der SILP Materialien für spezifische Anwendungen steht dabei genauso im Fokus wie der Einfluss von CO2 auf die Katalysatorstruktur und dessen Eigenschaften.
Ausgangsprojekt: Charakterisierung von Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Katalysatoren durch spektroskopische Methoden und durch Testreaktionen
Abschlussbericht
Ziel dieses gemeinsamen Projektes war es, ein detailliertes Verständnis über die Zusammenhänge zwischen Aufbau und katalytischer Leistung von neuartigen Supported Ionic Liquid oder Supported Molten Salt (SMS) Katalysatoren zu gewinnen. Dazu wurde ein heterogener Pt auf Aluminiumoxid-Katalysator mit verschiedenen Salzschmelzen beschichtet und für die Testreaktionen Methanol-Dampfreformierung und Wassergas-Shift in Laboranlagen am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik, FAU, Erlangen untersucht. Durch die Salzbeschichtung erreichten die Katalysatoren eine deutlich gesteigerte Aktivität und Selektivität. Es war offensichtlich, dass diese gewünschten Katalysatoreigenschaften von mehreren Faktoren abhängen. Zur weiteren Aufklärung dieser Phänomene wurden diese Katalysatoren mit DRIFT-Spektroskopie und Festkörper-NMR untersucht.[1,2] Diese Messmethoden verdeutlichten eine starke Wechselwirkung zwischen dem katalytisch aktiven Platin-Nanopartikeln und den Alkali-Kationen aus der Salzschmelze. Daneben kam es auch zu einer Beeinflussung der Struktur des Trägers (Aluminiumoxid) durch die zur Beschichtung verwendeten Alkalihydroxide. Die entwickelten Materialien zeigen außerordentlich interessante katalytische Aktivität und Selektivität und besitzen daher auch großes Potential für eine industrielle Anwendung.
Im Rahmen unserer BaCaTeC-Aktivitäten sollte ein tieferes Verständnis über den Aufbau und die Beschaffenheit der katalytisch aktiven Oberfläche dieser Pt-Alkalihydroxid-Katalysatoren gewonnen werden. Dazu führte unser Mitarbeiter, Herr MSc Matthias Kusche, Transmissionselektronenmikroskopie (HAADF-STEM) in Kombination mit Röntgenspektroskopie (EDS) am National Center for Electron Microscopy in Berkeley, Kalifornien durch. Die entsprechende Messzeit wurde durch ihn mit meiner Unterstützung im Wettbewerb mit anderen Nutzern beantragt und zugesprochen. Die Untersuchungen wurden im Zeitraum von Anfang Juni bis Ende Juli 2014 durchgeführt und erfolgten in Zusammenarbeit mit und unter Unterstützung durch Prof. Alexis Bell, Department of Chemical Engineering, University of California. Die Untersuchungen ergaben, dass die Pt-Katalysatoren von einer nahezu homogen verteilten Salzschicht (Kaliumhydroxid) überzogen sind, was zu starken Wechselwirkungen zwischen dem katalytisch aktiven Platin und den Alkalikationen führt. Die Ergebnisse wurden gemeinsam mit einer Kollegin aus Berkeley hochkarätig publiziert.[3] Die Ergebnisse bestätigen die vorher aus der DRIFT-Spektroskopie und den NMR-Experimenten abgeleiteten Hypothesen.
[1] M. Kusche, F. Enzenberger, S. Bajus, H. Niedermeyer, A. Bösmann, A. Kaftan, M. Laurin, J. Libuda, P. Wasserscheid, Enhanced activity and selectivity in catalytic methanol steam reforming by basic alkali salt coatings, Angewandte Chemie Int. Ed., 2013, 52(19), 5132-5136.
[2] M. Kusche, F. Agel, N. Ni Bhriain, A. Kaftan, M. Laurin, J. Libuda, P. Wasserscheid, Methanol steam reforming promoted by molten-salt modified platinum on alumina catalysts, ChemSusChem, 2014, 7(9), 2516-2526.
[3] M. Kusche, K. Bustillo, F. Agel, P. Wasserscheid, Highly effective Pt-based water-gas shift catalysts through a surface modification with alkali molten salts, ChemCatChem, 2015, DOI: 10.1002/cctc.201402808, in press.