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Projekt
Ruthenium als Oxidationskatalysator: Kinetische, spektroskopische und strukturelle Untersuchungen an metallischen und oxidischen Realkatalysatoren und Einkristalloberflächen
Antragsteller
Professor Dr. Herbert Over
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung von 2000 bis 2008
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5253712
In dem vorliegenden Projektantrag sollen sowohl die Druck- als auch die Materiallücke im Bereich der Oxidationskatalyse mit Ru überbrückt werden. Die Komplexität der Katalysatoren wird schrittweise im Bereich der idealen Systeme von Ru-Einkristalloberflächen über Ru-Filme zu polykristallinem Ru-Metallpulver und geträgerten Ru-Nanopartikel im Bereich der realen Systeme erhöht. Es ist zu erwarten, dass mit fallendem Ordnungsgrad der Systeme die Reaktivität und die Tendenz zur Oxidbildung steigen, so dass auch RuO2 in Form von verschieden orientierten Einkristalloberflächen bzw. als polykristallines Material miteinbezogen wird. Die katalytischen Eigenschaften von Ruthenium bei Oxidationsreaktionen hängen entscheidend vom Sauerstoffpartialdruck und der Temperatur ab, da je nach Reaktionsbedingungen ein kom-plexes Wechselspiel zwischen einer Fülle von Sauerstoff-Spezies auftritt. Die Sauerstoffbedeckung auf Ruthenium kann vom Submonolagenbereich über QO = 0.5 im UHV und QO = 1.0 (NO2 im UHV, Hochdruck) bis zu der Bildung von Subsurface-Sauerstoff und von RuO2-Domänen erhöht werden. Dabei wird die geringe Oxidationsaktivität im UHV zur hohen Oxidationsaktivität bei Hochdruck gesteigert. Es sollen drei Oxidationsreaktionen sowohl im Ultrahochvakuum (UHV) als auch bei Drücken > 1 mbar untersucht werden: Die Oxidation von CO zu CO2, deren Reaktionsgeschwindigkeit stark vom Sauerstoffbedeckungsgrad abhängt, die oxidative Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd, deren Selektivität zu CH2O mit steigendem oxidischen Charakter von Ru zunimmt und die endotherme CO2-Reformierung von CH4 zu Synthesegas (CH4 CO2 = 2 CO 2 H2), für die Ru hochaktiv ist. Zur Bestimmung der Elementarschrittkinetik an den Realkatalysatoren wird ein Pulsreaktor (TAP-Reaktor, temporal analysis of products) eingesetzt, der sowohl im Hochvakuum als auch bei atmosphärischem Druck arbeiten kann. Die Charakterisierung der Realkatalysatoren erfolgt mit der Infrarot-Spektroskopie (FTIR), die im Hochvakuum in Transmission und bei atmosphärischem Druck in diffuser Reflexion (DRIFTS) angewandt wird, um molekulare Adsorbate (z.B. COads, CHx,ads, CH3Oads) und deren Beeinflussung durch Koadsorbate als Funktion der Partialdrücke und der Temperatur zu detektieren. Im Bereich der Einkristalluntersuchungen soll insbesondere die oxidative Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd auf den sauerstoff-vorbelegten Ru(0001)-Oberflächen (variable O-Konzentration: 0.25 ML - 10 ML) bis hin zu Rutheniumoxiden unter UHV-Bedingungen hinsichtlich atomarer Struktur, Morphologie, Reaktivität und elektronischer Struktur untersucht werden. Die verwendeten Techniken umfassen die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), hochauflösendes LEED (SPALEED), Oberflächenröntgenbeugung (SXRD), Thermo-desorptions-spektroskopie (TDS) und Photoelektronenspektroskopie (UPS, XPS), deren Ergebnisse durch begleitende Dichtefunktional-Theorie (DFT-GGA-)Rechnungen unterstützt werden sollen. Durch die Verwendung eines Mikrokapillar-Dosers, eines Transfersystems zwischen UHV-Kammer und einer Hochdruckzelle sowie durch in situ EXAFS/NEXAFS-Messungen in Zusammenarbeit mit der AG Schlögl soll die Drucklücke vollständig überwunden werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
