Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2005--Jena.

Techn. Hochsch., Diss., 2005--Aachen.

In der vorliegenden Arbeit werden Al2O3-geträgerte Eisenoxid-Katalysatoren auf ihre Eignung in der Nachbehandlung von Dieselabgasen getestet. Hierbei werden die Oxidationsreaktionen von Kohlenmonoxid, Propen, Stickstoffmonoxid sowie Ammoniak getestet. Weiterhin wird die Katalysatoraktivität bei der Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren untersucht. Basierend auf einer detaillierten Charakterisierung wird eine Struktur-Aktivitäts-Korrelation entwickelt, auf deren Basis ein Verständnis für die Art der aktiven Zentren solcher Katalysatoren generiert wird. Zudem wird ein Modell entwickelt, mit Hilfe dessen die spezifische Aktivität der verschiedenen Typen an aktiven Zentren bewertet werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit auf die Stickoxidminderung nach dem SCR-Verfahren fokussiert, was die Untersuchungen des Reaktionsmechanismus sowie die Struktur-Aktivitäts-Korrelation an hydrothermal gealterten Katalysatoren beinhaltet.

Die Immobilisierung homogener Katalysatoren ist eine wichtige Methode zur Realisierung der Abtrennbarkeit und Wiederverwendbarkeit aktiver Spezies. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch die Komplexierung von Palladium mit 1,4-Bis-(4′-pyrazolyl)benzen ein neues mikroporöses Koordinationspolymer generiert und dieses als heterogener Katalysator in der Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktion erfolgreich eingesetzt. Dabei konnten vollständige Umsätze und hohe Selektivitäten erzielt werden, die vergleichbar zu bereits kommerziell erhältlichen homogenen Katalysatoren sind. Die Besonderheit des Katalysators ist, neben dessen außergewöhnlich hohen chemischen Stabilität, die Variation seiner Struktureigenschaften durch die Wahl der Synthesebedingungen und die damit verbundene Steuerung seiner katalytischen Aktivität.

Im Zuge der Stromerzeugung aus regenerativen Quellen gewinnen chemische Energiespeicher, z. B. synthetisches Erdgas (CH4), immer mehr an Bedeutung. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Methanisierung von CO2 an geträgerten Nickelkatalysatoren. Als Vorläuferverbindungen wurden (Ni,Mg,Al)-haltige Hydrotalcite eingesetzt, die sich bei 600 °C an Luft zu schlecht kristallinen, homogenen Mischoxiden zersetzen. Diese können mit einer Periclas-artigen Grundstruktur beschrieben werden, deren Metallpositionen statistisch mit Ni2+-, Mg2+- und Al3+-Ionen besetzt sind. Das entwickelte Mikrostrukturmodell liefert viele Deutungsansätze für das Verhalten der Mischoxide unter reduktiven Bedingungen sowie für die Eigenschaften der resultierenden Ni/(Mg,Al)Ox-Katalysatoren. Erstaunlich sind die nahezu identischen Oberflächeneigenschaften und katalytischen Aktivitäten der Katalysatoren mit Nickelgehalten zwischen 5 mol% und 20 mol%. Alle untersuchten Katalysatoren zeigen eine hervorragende Stabilität gegenüber Sinterung und Verkokung und sind langzeitstabil.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Hochdurchsatz-Methode für Herstellung und Screening imprägnierter heterogener Katalysatoren. Es werden Hopkalit-, Platin- und Chrom-basierende Stoffsysteme auf Aluminiumoxid bzw. Titandioxid untersucht. Heterogene Katalysatorbibliotheken mit diskreten Zusammensetzungsgradienten werden mittels Tintenstrahldruck präpariert, wofür zunächst bedruckbare poröse Substrate hergestellt werden. Es wird eine Methode zur teilautomatisierten Bestimmung der Größe dosierter Mikrotropfen implementiert. Gedruckte Katalysatoren werden mit klassisch trockenimprägnierten Proben verglichen. Für eine homogene Verteilung der Katalysatorspezies werden Einflussparameter evaluiert, von welchen die Tintenviskosität als entscheidend identifiziert wird. Zur Einschätzung der Katalysatorhomogenität wird Raman-Mikrospektroskopie eingesetzt. Für Untersuchungen unter Reaktionsbedingungen wird ein Parallelreaktor konstruiert und gefertigt. Zum Vergleich dienen Versuche im klassischen Strömungsrohr. Als Testreaktion dient die Kohlenmonoxid-Oxidation. Die Aktivität der imprägnierten Katalysatoren wird mittels In-situ-IR-Spektroskopie mit verschiedenen Messstrategien untersucht. Versuche an Katalysatorpulvern im konventionellen Strömungsrohrreaktor ermöglichen einen Vergleich der Ergebnisse.:1 Einleitung 2 Theoretischer Teil 2.1 Tintenstrahldruck 2.1.1 Funktionsweise von Tintenstrahldruckern 2.1.2 Druckbarkeit von Fluiden mittels DOD-Tintenstrahldruck 2.1.3 Benetzungsverhalten gedruckter Tropfen auf Feststoffoberflächen 2.2 Kaffeeringeffekt 2.2.1 Ursache des Kaffeeringeffekts 2.2.2 Unterdrückung des Kaffeeringeffekts 2.3 Hochdurchsatz und Kombinatorik 2.3.1 Tintenstrahldruck in der kombinatorischen Materialforschung 2.3.2 Hochdurchsatz-Screening heterogener Gasphasenreaktionen 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Konzept und Zielsetzung 3.1.1 Konzept des Drucks binärer Katalysatorbibliotheken 3.1.2 Vorangegangene Arbeiten 3.1.3 Übersicht und Zielsetzung dieser Arbeit 3.2 Vorversuche an klassisch imprägnierten Katalysatoren 3.2.1 Charakterisierung der eingesetzten Substratmaterialien 3.2.2 Thermogravimetrische Analyse der Katalysatorimprägnierung 3.2.3 Raman-Spektren ausgewählter imprägnierter Katalysatoren 3.2.4 Pulverröntgendiffraktogramme ausgewählter Katalysatoren 3.3 Substratherstellung 3.3.1 Herstellung von Dünnschichtsubstraten 3.3.2 Herstellung von eingestrichenen Substraten 3.3.3 Porenvolumina der Substrate 3.4 Tintenstrahldruck heterogener Katalysatorbibliotheken 3.4.1 Bestimmung der Mikrotropfengröße 3.4.2 Allgemeine Vorgehensweise zur Bestimmung der Katalysatorverteilung 3.4.3 Einfluss der optischen Fokussierung auf die Raman-Intensität 3.4.4 Drucken heterogener Katalysatoren auf Dünnschichtsubstraten 3.4.5 Drucken heterogener Katalysatoren auf Presslingen 3.4.6 Drucken heterogener Katalysatoren auf eingestrichenen Substraten 3.5 Kohlenmonoxid-Oxidation und Mikrospektroskopie 3.5.1 Aufbau der Reaktionszelle 3.5.2 In-situ-Infrarot-Spektroskopie 3.5.3 In-situ-Raman-Spektroskopie 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Tintenstrahldruck von Katalysatorbibliotheken 5.1.1 Allgemeines zum eingesetzten Drucksystem 5.1.2 Substratherstellung 5.1.3 Vorbereitung der Vorstufenlösungen 5.1.4 Einstellung der Dosierparameter und Koordinatenkalibrierung 5.1.5 Ermittlung der Tropfengröße 5.1.6 Erstellung des Druckprogrammes und Durchführung des Druckprozesses 5.2 Verwendete Analysemethoden 5.2.1 Raman-Mikrospektroskopie 5.2.2 Infrarot-Mikrospektroskopie 5.2.3 Porenvolumenbestimmung mittels Helium-Pyknometrie 5.2.4 Stickstoffadsorption zur Bestimmung von Feststoffoberfläche und Porenvolumen 5.2.5 Partikelgrößenbestimmung 5.2.6 Pulverröntgendiffraktometrie 5.2.7 Thermogravimetrische Analyse 5.3 Bestimmung der katalytischen Aktivität 5.3.1 Reaktionszelle für In-situ-Spektroskopie 5.3.2 Umsatzbestimmung von Pulverproben im konventionellen Strömungsrohr 5.4 Verwendete Chemikalien 6 Anhang Verzeichnisse Literaturverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Selbständigkeitserklärung Danksagung

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Katalysatoren für die Oxidation von Methan aus Abgasen biogasgetriebener Magergasmotoren. Diese Motoren emittieren aufgrund des Methanschlupfes unverbranntes Methan, welches ein signifikant höheres Treibhausgaspotential als Kohlendioxid aufweist. Die katalytische Aktivität von edelmetallhaltigen und edelmetallfreien Mischoxidkatalysatoren, deren Herstellung durch Sol-Gel-Synthesen erfolgte, wurde mittels der emissionskorrigierten Infrarotthermographie in einem Hochdurchsatzscreening untersucht. Die so identifizierten Materialien wurden in einer hierzu aufgebauten, automatisierten Strömungsrohrreaktoranlage in einer komplexen Abgaszusammensetzung konventionell charakterisiert. Die hierbei erfolgreich getesteten Katalysatoren wurden in einem zehnfach parallelen Alterungsreaktor, der auf diese Anwendung adaptiert und automatisiert wurde, bei 450 °C auf ihre Langzeitstabilität untersucht. Hierbei erwiesen sich besonders iridium- und rhodiumhaltige Mischoxide der formalen Zusammensetzung Em3Si48,5Se48,5Ox als langzeitstabil. Weiterhin wurde die Übertragung der besten Zusammensetzungen der Sol-Gel-Synthese auf das industrielle Standardverfahren der Imprägnierung untersucht.:1 Einleitung 1.1 Biogasanlagen 1.1.1 Allgemeine Aspekte 1.1.2 Aufbau von Biogasanlagen 1.1.3 Erzeugung und Zusammensetzung von Biogas 1.2 BHKW-Motortypen in Biogasanlagen 1.2.1 Magergasmotoren 1.2.2 Konzepte zur Abgasnachbehandlung von Magergasmotoren 1.3 Kombinatorik und Hochdurchsatz als Methoden zur Entwicklung von Katalysatoren in der Chemie 1.4 Anwendung der Hochdurchsatzmethodik 1.4.1 Design of Experiment 1.4.2 Synthese von Katalysatorbibliotheken mittels Hochdurchsatz 1.4.3 Methoden zur Hochdurchsatzcharakterisierung 1.4.4 Data-Mining (Auswertung) 1.5 Synthese 1.5.1 Synthese über den Sol-Gel-Prozess 1.5.2 Fällung 1.5.3 Imprägnierung 1.6 Katalytische Oxidation von Methan 1.6.1 Edelmetallfreie Katalysatoren für die Methanoxidation 1.6.2 Edelmetallhaltige Katalysatoren für die Methanoxidation 1.6.3 Methanoxidation in realen Abgasgemischen 2 Zielsetzung 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Methodenentwicklung 3.1.1 ecIRT 3.1.2 Konventionelle Charakterisierung 3.1.3 Parallele Alterung 3.2 Ergebnisse edelmetallfreie Proben (Generation 1) 3.2.1 ecIRT und konventionelle Messung 3.2.2 Fazit edelmetallfreie Proben 3.3 Ergebnisse unäre edelmetallhaltige Proben Em3A48,5B48,5Ox (Generation 2) 3.3.1 Bibliothek 2.1: Pd dotierte Mischoxide 3.3.2 Bibliothek 2.2: Pd und Ru dotierte Mischoxide I 3.3.3 Bibliothek 2.3: Pd und Ru dotierte Mischoxide II 3.3.4 Bibliothek 2.4: Ru und Ag dotierte Mischoxide 3.3.5 Bibliothek 2.5: Ag dotierte Mischoxide 3.3.6 Bibliothek 2.6: Pt und Au dotierte Mischoxide I 3.3.7 Bibliothek 2.7: Pt und Au dotierte Mischoxide II 3.3.8 Bibliothek 2.8: Rh und Ir dotierte Mischoxide I 3.3.9 Bibliothek 2.9: Rh und Ir dotierte Mischoxide II 3.3.10 Bibliothek 2.10: Rh, Ag, Ir, Pt und Au dotierte Mischoxide 3.3.11 Bibliothek 2.11: Edelmetall dotierte Re-haltige Mischoxide 3.3.12 Bibliothek 2.12: Edelmetall dotierte Sb- und W-haltige Mischoxide 3.3.13 Vergleich selenhaltiger Proben aus den Bibliotheken 2.7 und 2.9 3.3.14 Fazit Generation 2 3.4 Ergebnisse der Zusammensetzungsvariation Em [1-3]AaBbOx (Generation 3) 3.4.1 Bibliothek 3.1: Zusammensetzungsvariation Pt[1 3]TiaCrbOx 3.4.2 Bibliothek 3.2: Zusammensetzungsvariation Pt[1-3]SiaNibOx 3.4.3 Bibliothek 3.3: Zusammensetzungsvariation Pt[1-3]AlaMnbOx 3.4.4 Bibliothek 3.4: Zusammensetzungsvariationen Pt[1 3]SiaCrbOx, Pt[1 3]TiaSnbOx und Pt[1 3]TiaSebOx 3.5 Ergebnisse der Variation der Edelmetalle bei konstantem Basisoxidverhältnis (Em1zEm2yA48,5B48,5Ox) (Generation 4) 3.5.1 Bibliothek 4.1: Edelmetallvariationen [EM]3Ti48,5Cr48,5Ox, [EM]3Si48,5Ni48,5Ox und [EM]3Si48,5Se48,5Ox 3.5.2 Bibliothek 4.2: Edelmetallvariationen [EM]3Al48,5Mn48,5Ox und [EM]3Si48,5Sn48,5Ox 3.5.3 Bibliothek 4.3 : Erweiterung der binären Edelmetallvariationen um Ru 3.6 Kombination der Zusammensetzungsvariationen von Edelmetallen und Basisoxiden (Generation 5) 3.7 Übertragung auf Alternativsynthesen (Generation 6) 3.7.1 Herstellung und Charakterisierung zweier Basisoxidmaterialien zur Nutzung als Katalysatorträger 3.7.2 Vergleich der Methanumsätze beider Basisoxidsysteme nach Imprägnation analog zum Referenzkatalysator Pd:Pt (10:1) 3 m-% @ Al2O3 3.7.3 Präparation und Testung von Pt 2 m-% - Ru 3 m-% @ ZrO2 [137] 3.7.4 Incipient-Wetness-Imprägnierungen auf kommerzielle TiO2-Träger 3.7.5 Vergleich der aktivsten, auf TiO2 geträgerten Probe mit den industriellen Referenzkatalysatoren 3.7.6 Untersuchung des Alterungsverhaltens diverser auf TiO2 imprägnierter Proben und Vergleich mit den industriellen Referenzkatalysatoren 3.7.7 Incipient-Wetness-Imprägnierungen verschiedener Mn- und Mn:Ce-Gehalte auf Al2O3 und nachfolgende Imprägnierung mit Edelmetallen 3.7.8 Imprägnierung und Alterung dreier Edelmetallkombinationen auf drei SiO2-haltigen Trägern 3.8 Exkurs 1: Wiederholung der Alterung des Referenzkatalysators Pd:Pt (10:1) 3 m-% @ Al2O3 3.9 Exkurs 2: Einfluss von Bindemitteln auf die katalytische Aktivität 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Synthese 5.1.1 Vorversuche zur Löslichkeit der Edelmetall Präkursoren 5.1.2 Hochdurchsatzsynthese 5.1.3 Propionsäure Syntheseroute 5.1.4 Modifizierte Pecchini Syntheseroute 5.1.5 Synthese von Pt3Zr20Al77Ox 5.1.6 Nachsynthese für konventionelle Messungen 5.1.7 Synthese von Trägern 5.1.8 Incipient-Wetness-Imprägnierungen 5.2 Katalytische Untersuchungsmethoden 5.2.1 ecIRT 5.2.2 Konventionelle Strömungsrohranlage zur Validierung 5.2.3 Alterungsreaktor 5.3 Charakterisierung 5.3.1 Thermogravimetrische Analyse 5.3.2 Oberflächenanalyse mittels N2-Physisorptionsmessungen 5.3.3 Röntgenpulverdiffraktometrie 5.3.4 Mikroröntgenfluoreszenzanalytik 5.3.5 Transmissionselektronenmikroskopie 6 Literaturverzeichnis 7 Anhang 7.1 Abkürzungsverzeichnis 7.2 Abbildungsverzeichnis 7.3 Tabellenverzeichnis 7.4 Verwendete Chemikalien 7.5 Verwendete Software 7.6 Syntheseübersicht ecIRT 7.7 Belegungspläne ecIRT 7.8 Strömungsrohrreaktoren 7.8.1 Konventioneller Strömungsrohrreaktor 7.8.2 Alterungsreaktor 7.9 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalysen 7.9.1 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalyse Rh3Si48,5Se48,5Ox 7.9.2 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalyse [EM]3Si48,5Se48,5Ox 7.10 Umrechnung m-% in mol-% 7.11 Ausreißertest nach Nalimov 7.12 Auswertung des kombinatorischen Versuchsplanes der Referenzproben nach Yates / The development of new catalysts for the oxidation of methane emitted by biogas fueled lean-burn engines was the focus of this thesis. Due to the methane slip these engines release un-burned methane, which has a significant higher global warming potential than carbon dioxide. The catalytic activity of precious metal-free and precious metal-containing mixed oxide cata-lysts, which were synthesized by sol-gel process, was investigated by a high-throughput screening with emissivity-corrected infrared thermography. The identified materials were analyzed in a therefore designed automatized conventional plug flow reactor under a complex exhaust gas composition. The long term stability of the positive tested catalysts was studied in an adapted and automatized 10-fold parallel reactor at 450 °C. Especially iridium and rhodi-um containing mixed metal oxide with formal composition Em3Si48,5Se48,5Ox were found to be long-time stable for the oxidation of methane. Furthermore the transfer of the most active and stable catalyst to the industrial preparation method impregnation was studied.:1 Einleitung 1.1 Biogasanlagen 1.1.1 Allgemeine Aspekte 1.1.2 Aufbau von Biogasanlagen 1.1.3 Erzeugung und Zusammensetzung von Biogas 1.2 BHKW-Motortypen in Biogasanlagen 1.2.1 Magergasmotoren 1.2.2 Konzepte zur Abgasnachbehandlung von Magergasmotoren 1.3 Kombinatorik und Hochdurchsatz als Methoden zur Entwicklung von Katalysatoren in der Chemie 1.4 Anwendung der Hochdurchsatzmethodik 1.4.1 Design of Experiment 1.4.2 Synthese von Katalysatorbibliotheken mittels Hochdurchsatz 1.4.3 Methoden zur Hochdurchsatzcharakterisierung 1.4.4 Data-Mining (Auswertung) 1.5 Synthese 1.5.1 Synthese über den Sol-Gel-Prozess 1.5.2 Fällung 1.5.3 Imprägnierung 1.6 Katalytische Oxidation von Methan 1.6.1 Edelmetallfreie Katalysatoren für die Methanoxidation 1.6.2 Edelmetallhaltige Katalysatoren für die Methanoxidation 1.6.3 Methanoxidation in realen Abgasgemischen 2 Zielsetzung 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Methodenentwicklung 3.1.1 ecIRT 3.1.2 Konventionelle Charakterisierung 3.1.3 Parallele Alterung 3.2 Ergebnisse edelmetallfreie Proben (Generation 1) 3.2.1 ecIRT und konventionelle Messung 3.2.2 Fazit edelmetallfreie Proben 3.3 Ergebnisse unäre edelmetallhaltige Proben Em3A48,5B48,5Ox (Generation 2) 3.3.1 Bibliothek 2.1: Pd dotierte Mischoxide 3.3.2 Bibliothek 2.2: Pd und Ru dotierte Mischoxide I 3.3.3 Bibliothek 2.3: Pd und Ru dotierte Mischoxide II 3.3.4 Bibliothek 2.4: Ru und Ag dotierte Mischoxide 3.3.5 Bibliothek 2.5: Ag dotierte Mischoxide 3.3.6 Bibliothek 2.6: Pt und Au dotierte Mischoxide I 3.3.7 Bibliothek 2.7: Pt und Au dotierte Mischoxide II 3.3.8 Bibliothek 2.8: Rh und Ir dotierte Mischoxide I 3.3.9 Bibliothek 2.9: Rh und Ir dotierte Mischoxide II 3.3.10 Bibliothek 2.10: Rh, Ag, Ir, Pt und Au dotierte Mischoxide 3.3.11 Bibliothek 2.11: Edelmetall dotierte Re-haltige Mischoxide 3.3.12 Bibliothek 2.12: Edelmetall dotierte Sb- und W-haltige Mischoxide 3.3.13 Vergleich selenhaltiger Proben aus den Bibliotheken 2.7 und 2.9 3.3.14 Fazit Generation 2 3.4 Ergebnisse der Zusammensetzungsvariation Em [1-3]AaBbOx (Generation 3) 3.4.1 Bibliothek 3.1: Zusammensetzungsvariation Pt[1 3]TiaCrbOx 3.4.2 Bibliothek 3.2: Zusammensetzungsvariation Pt[1-3]SiaNibOx 3.4.3 Bibliothek 3.3: Zusammensetzungsvariation Pt[1-3]AlaMnbOx 3.4.4 Bibliothek 3.4: Zusammensetzungsvariationen Pt[1 3]SiaCrbOx, Pt[1 3]TiaSnbOx und Pt[1 3]TiaSebOx 3.5 Ergebnisse der Variation der Edelmetalle bei konstantem Basisoxidverhältnis (Em1zEm2yA48,5B48,5Ox) (Generation 4) 3.5.1 Bibliothek 4.1: Edelmetallvariationen [EM]3Ti48,5Cr48,5Ox, [EM]3Si48,5Ni48,5Ox und [EM]3Si48,5Se48,5Ox 3.5.2 Bibliothek 4.2: Edelmetallvariationen [EM]3Al48,5Mn48,5Ox und [EM]3Si48,5Sn48,5Ox 3.5.3 Bibliothek 4.3 : Erweiterung der binären Edelmetallvariationen um Ru 3.6 Kombination der Zusammensetzungsvariationen von Edelmetallen und Basisoxiden (Generation 5) 3.7 Übertragung auf Alternativsynthesen (Generation 6) 3.7.1 Herstellung und Charakterisierung zweier Basisoxidmaterialien zur Nutzung als Katalysatorträger 3.7.2 Vergleich der Methanumsätze beider Basisoxidsysteme nach Imprägnation analog zum Referenzkatalysator Pd:Pt (10:1) 3 m-% @ Al2O3 3.7.3 Präparation und Testung von Pt 2 m-% - Ru 3 m-% @ ZrO2 [137] 3.7.4 Incipient-Wetness-Imprägnierungen auf kommerzielle TiO2-Träger 3.7.5 Vergleich der aktivsten, auf TiO2 geträgerten Probe mit den industriellen Referenzkatalysatoren 3.7.6 Untersuchung des Alterungsverhaltens diverser auf TiO2 imprägnierter Proben und Vergleich mit den industriellen Referenzkatalysatoren 3.7.7 Incipient-Wetness-Imprägnierungen verschiedener Mn- und Mn:Ce-Gehalte auf Al2O3 und nachfolgende Imprägnierung mit Edelmetallen 3.7.8 Imprägnierung und Alterung dreier Edelmetallkombinationen auf drei SiO2-haltigen Trägern 3.8 Exkurs 1: Wiederholung der Alterung des Referenzkatalysators Pd:Pt (10:1) 3 m-% @ Al2O3 3.9 Exkurs 2: Einfluss von Bindemitteln auf die katalytische Aktivität 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Synthese 5.1.1 Vorversuche zur Löslichkeit der Edelmetall Präkursoren 5.1.2 Hochdurchsatzsynthese 5.1.3 Propionsäure Syntheseroute 5.1.4 Modifizierte Pecchini Syntheseroute 5.1.5 Synthese von Pt3Zr20Al77Ox 5.1.6 Nachsynthese für konventionelle Messungen 5.1.7 Synthese von Trägern 5.1.8 Incipient-Wetness-Imprägnierungen 5.2 Katalytische Untersuchungsmethoden 5.2.1 ecIRT 5.2.2 Konventionelle Strömungsrohranlage zur Validierung 5.2.3 Alterungsreaktor 5.3 Charakterisierung 5.3.1 Thermogravimetrische Analyse 5.3.2 Oberflächenanalyse mittels N2-Physisorptionsmessungen 5.3.3 Röntgenpulverdiffraktometrie 5.3.4 Mikroröntgenfluoreszenzanalytik 5.3.5 Transmissionselektronenmikroskopie 6 Literaturverzeichnis 7 Anhang 7.1 Abkürzungsverzeichnis 7.2 Abbildungsverzeichnis 7.3 Tabellenverzeichnis 7.4 Verwendete Chemikalien 7.5 Verwendete Software 7.6 Syntheseübersicht ecIRT 7.7 Belegungspläne ecIRT 7.8 Strömungsrohrreaktoren 7.8.1 Konventioneller Strömungsrohrreaktor 7.8.2 Alterungsreaktor 7.9 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalysen 7.9.1 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalyse Rh3Si48,5Se48,5Ox 7.9.2 Ergebnisse der N2-Physisorptionsanalyse [EM]3Si48,5Se48,5Ox 7.10 Umrechnung m-% in mol-% 7.11 Ausreißertest nach Nalimov 7.12 Auswertung des kombinatorischen Versuchsplanes der Referenzproben nach Yates

In der vorliegenden Dissertationsschrift werden quaternäre Mischmetalloxid Katalysatoren zur Nutzung in Power-to-Gas Systemapplikationen untersucht. Als chemische Reaktion wird die Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mittels Wasserstoff innerhalb des Sabatier-Prozesses verwendet. Unter Verwendung kombinatorischer Hochdurchsatzmethoden werden unterschiedliche Elementkombinationen entwickelt, charakterisiert und in dafür konstruierten Reaktorsystemen untersucht. Die verwendeten Reaktorsysteme sind ein 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor mit installierbaren beschichteten Mikrospaltreaktorplatten (Katalysator-Screening) und ein Mikrospaltreaktor mit Wandkatalysatoren (Katalysator-Validierung). Die Synthese der 588 Katalysatoren unterschiedlicher Zusammensetzungen erfolgt mittels Imprägnier- und Sol-Gel Methoden. Scale-up Untersuchungen der Synthesemethoden werden mit den reaktionstechnisch aktivsten Katalysatoren durchgeführt. Für die Beschichtung der synthetisierten Katalysatoren auf die Mikrospaltplatten bzw. Reaktorwand werden Spritzverfahren bzw. Rakeltechniken in einem Design of Experiment (DoE) evaluiert. Als Beschichtungsverfahren der Katalysatoren zur reaktionstechnischen Untersuchung wird das Niederdruckspritzverfahren verwendet. Die erzeugten Katalysatorschichten weisen eine durchschnittliche Schichtdicke von 250 µm auf. Für die Screening-Untersuchungen der Katalysatoren wird ein 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor konstruiert. Als Entscheidungskriterien dienen die reaktionstechnischen Größen Umsatz, Ausbeute und Selektivität in Abhängigkeit der Reaktionstemperatur und des -druckes. Die zehn aktivsten Katalysatoren werden in einem modifizierten Mikrospaltplattenreaktor als Wandkatalysatoren untersucht. Neben den reaktionstechnischen Kenngrößen Umsatz, Ausbeute und Selektivität bei optimalen Reaktionsparametern werden ebenfalls Raum-Zeit-Ausbeute und Katalysator-Zeit-Ausbeute bestimmt. Diese dienen zum Vergleich mit Reaktorsystemen bestehender Pilotanlagen, um die Effizienz der Katalysatoren in Verbindung mit dem mikrostrukturierten Reaktorsystem zu ermitteln. Zusätzlich werden Langzeitmessungen durchgeführt, um die Stabilität des Katalysatorsystems zu untersuchen. Aufgrund der Exothermie der vorliegenden Methanisierungsreaktion ist die Betrachtung lokaler Hitzezonen für eine zukünftige reaktionstechnische Anwendung von hohem Interesse. Die zu validierende Katalysatorschicht wird mittels einer Infrarot-Kamera durch ein Saphirglas unter Reaktionsbedingungen betrachtet. Aus diesen Untersuchungen kann ein zeitlicher Temperaturverlauf entlang der Strömungsrichtung auf der Katalysatoroberfläche erzeugt werden. An dem validierten Katalysator werden die Charakterisierungsmethoden Pulverröntgendiffraktometrie, Ramanspektroskopie, Thermogravimetrische Analyse, Transmissionselektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, sowie verschiedene Physisorptions- und Chemiesorptionsuntersuchungen durchgeführt. Zusätzlich dienen Haftzugfestigkeitsversuch und Scratch-Test zur Überprüfung der mechanischen Stabilität des Katalystorsystems. Des Weiteren liefern metallographische Querschnittsaufnahmen einen Einblick in die Beschaffenheit der gespritzten Katalysatorschicht. Der Katalysator NiIrCeOx_IWI zeigt die besten katalytischen Ergebnisse bei den Untersuchungen im 10-fach-Parallel Gasphasen-Strömungsreaktor und im Mikrospaltreaktor mit Wandkatalysatoren. Dieser Katalysator besteht in seinem reduzierten Zustand aus 12-mol% Nickel, 3-mol% Iridium und 85-mol% Cer(IV)-oxid. Die Synthese erfolgt mittels Trockenimprägnierung (engl. incipient wetness impregnation, IWI). Er wird mittels Niederdruckspritzverfahren auf die Reaktorwand durch mehrfache Beschichtungszyklen aufgetragen. Unter Verwendung der optimalen Reaktionsparameter für dieses Katalysatorsystem werden Umsatze von 99,5 % und Selektivitäten von 99,9 % erreicht, welche dem chemischen Gleichgewicht entsprechen. In den Langzeitmessungen (260 h) stellt sich ein konstanter Umsatz von 95,3 % und eine Selektivität von 99,6 %. Die operando-IR Untersuchungen zeigen eine maximale Temperaturerhöhung auf der Katalysatoroberfläche von 10,2 K. Dies ist im Vergleich zu anderen Reaktorsystemen, welche Temperaturerhöhungen bis zu 80 K aufweisen, sehr gering. Die Untersuchungen mittels Pulverröntgendiffraktometrie lassen auf eine Mischkristallbildung zwischen Nickel und Iridium schließen. Raman-Spektroskopie und Thermogravimetrische Analyse zeigen, dass der Katalysator eine hohe Sauerstoffspeicherkapazität vorweist, welche die Methanisierungsreaktion begünstigt. Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie beschreiben eine gleichmäßige Verteilung von Nickel auf den Cer(IV)-oxid Partikeln, während sich Iridium-Cluster durch die Reduktion des Katalysators bilden. Durch Untersuchungen des Grades der Struktursensitivität kann die Methanisierungsreaktion mit diesem verwendeten Katalysatorsystem als sturkturinsensitiv angesehen werden. Somit findet die Reaktion an Flächen-, Kanten- und Eckatomen statt. Die Haftzugfestigkeit des Katalysatorsystem in Verbindung mit der verwendeten Mikrospaltplatte liegt mit 8,5 N·cm-2 auf dem gleichen Niveau wie bekannte Literatursysteme. Scratch-Test Untersuchungen zeigen, dass der Katalysator sowohl gegen Oberflächenabrieb, als auch Krafteinwirkungen in die Schicht widerstandsfähig ist. Die metallographischen Querschnittaufnahmen der Katalysatorschicht zeigen ein poröses Katalysatorsystem, welches eine gute Verbindung zwischen Metalloberfläche der beschichteten Mikrospaltplatte und der gespritzten Katalysatorschicht aufweist. Weitere Erkenntnisse über die katalytische Stabilität des Katalysators NiIrCeOx_IWI für die Sabatier-Reaktion können durch Einsatz von Katalysatorgiften, z.B. Schwefeloxide und Zugabe des Produktes Methan zum Eduktgasstrom zur Simulation eines Biogasgemisches erhalten werden. Zusätzlich wäre durch eine Automatisierung der Beschichtungsmethode Niederdruckspritzverfahren die Herstellung von Gradientenschichten von Interesse, um die Temperaturerhöhung innerhalb der Katalysatorschicht weiter zu reduzieren und den Anteil der genutzten Katalysatormasse zu erhöhen. Diese Untersuchungen sind nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeiten, spiegeln allerdings Möglichkeiten für zukünftige Untersuchungen wider.:Inhaltsverzeichnis 1 Motivation und Aufgabenstellung 1 2 Arbeitsumfang und Zielstellung 3 3 Kenntnisstand 5 3.1 „Power-to-Gas“ – alternatives Energiekonzept 5 3.2 Sabatier-Prozess 6 3.2.1 Thermodynamik der Sabatier-Reaktion 6 3.2.2 Reaktionsmechanismen und Katalysatorsysteme 8 3.3 Wirtschaftliche Umsetzung des „Power-to-Gas“ Prinzips 10 3.3.1 Wirkungsgrad der Sabatier-Reaktion unter Nutzung konventioneller Reaktoren 10 3.3.2 Wärmeabfuhr und Prozesssicherheit 10 3.3.3 Einsatz von Mikrostrukturreaktoren 11 3.3.4 Wirtschaftlichkeit von Mikrostrukturreaktoren 11 3.4 Herstellungsmethoden für Katalysatorsysteme 12 3.4.1 Fällungsreaktionen 12 3.4.2 Imprägnierungen 13 3.4.3 Sol-Gel-Prozesse 14 3.5 Beschichtung der Reaktorwände von Mikrostrukturreaktoren 16 3.5.1 Niederdruckspritzverfahren 19 3.5.2 Rakel-Technik 21 3.6 Design of Experiment 22 3.7 Katalysatorscreening und Hochdurchsatz-Experimentation 23 3.8 Mikroreaktionstechnik 24 3.8.1 Mikroeffekte 25 3.8.2 Heterogene Katalyse mit Wandkatalysatoren in Mikrostrukturreaktoren 26 3.8.3 Transporterscheinungen in Wandkatalysatoren 28 3.8.3.1 Stofftransport 28 3.8.3.2 Wärmetransport 29 4 Ergebnisse und Diskussion 31 4.1 Katalysatorauswahl und –synthese 31 4.1.1 Zusammensetzung der Katalysatoren 31 4.1.2 Anzahl der Katalysatoren 32 4.1.3 Trockenimprägnierung (incipient wetness impregnation – IWI) 33 4.1.3.1 Scale-up der Katalysatoren hergestellt über IWI 35 4.1.4 Nassimprägnierung (wet impregnation – WI) 36 4.1.4.1 Scale-Up der Katalysatoren hergestellt über WI 37 4.1.5 Sol-Gel-Methode 38 4.1.5.1 Scale-Up der Katalysatoren hergestellt über Sol-Gel-Methoden 39 4.1.5.2 Charakterisierung 41 4.2 Beschichtung der Mikrospaltplatten und Präparation von Wandkatalysatoren 43 4.2.1 Niederdruckspritzverfahren 43 4.2.1.1 Voruntersuchungen zur Beschichtungsoptimierung der Trägermaterialien 44 4.2.1.2 Katalysatorschichtdickenbestimmung 47 4.2.2 Rakel-Technik 48 4.2.2.1 Suspensionsparameter 50 4.2.2.2 Bewertung der Rakel-Beschichtungsmethode mittels Design of Experiment (DoE) 51 4.2.2.3 Untersuchungen der mechanischen Stabilität der erzeugten Katalysatorschichten 56 4.2.2.4 Katalysatortestung 57 4.2.3 Vergleich gerakelter und gespritzter Schichten 58 4.3 Katalysatorscreening im 10-Fach-Parallel-Reaktor 62 4.3.1 Konstruktion Screening-Reaktor 62 4.3.2 Voruntersuchungen zur Screeningparameterfindung 65 4.3.3 Screening-Ergebnisse 68 4.3.4 Sorptionsmessungen 72 4.4 Validierung der Katalysatoren im Mikrospaltreaktor 75 4.4.1 Aufbau und Betrieb 77 4.4.2 Reaktionstechnische Untersuchungen 78 4.4.3 Alterungsuntersuchungen des Katalysators NiIrCeOx_IWI 85 4.4.4 Bestimmung Aktivierungsenergie 88 4.5 Prüfung auf Wärmetransportlimitierung mittels IR-Kamera 90 4.5.1 Theoretische Betrachtung des Wärmetransportes 90 4.5.2 Operando-IR Untersuchungen 97 4.6 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI 103 4.6.1 Pulverröntgendiffraktometrie (PXRD) des Katalysator NiIrCeOx_IWI 104 4.6.2 Untersuchungen mittels Ramanspektroskopie des Katalysators NiIrCeOx_IWI 105 4.6.3 Thermogravimetrische Analyse des Katalysators NiIrCeOx_IW 108 4.6.4 Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie zur Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI 113 4.6.5 Struktursensitivität 116 4.7 Untersuchungen zur mechanischen Schichtstabilität 120 4.7.1 Untersuchungen zur Haftzugfestigkeit 120 4.7.2 Querschnittsaufnahmen einer Wandkatalysatorschicht 122 4.7.3 Scratch-Test 124 5 Bewertung und Ausblick 127 6 Zusammenfassung 128 7 Experimenteller Teil 129 7.1 Verwendete Chemikalien und Geräte 129 7.2 Katalysatorsynthesen 133 7.2.1 Sol-Gel Route mittels Propionsäure-Starter (SGPS) [137] 133 7.2.2 Modifizierte Sol-Gel Route mittels Zitronensäure-Starter (SGCA) 135 7.2.3 Incipient wetness impregnation 135 7.2.4 Wet impregnation 136 7.3 Herstellung einer spritzfähigen Katalysatorsuspension 136 7.4 Beschichtung von Mikrospaltplatten 138 7.5 Katalysatorscreening der Wandkatalysatoren im 10-fach-Parallel-Gasphasenreaktor 140 7.6 Validierung im Mikrospaltreaktor 142 7.7 Operando-IR-Untersuchungen der Katalysatorschichten 144 7.8 Sorptionsmessungen 144 7.9 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels PXRD 145 7.10 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Ramanspektroskopie 146 7.11 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Thermogravimetrischer Analayse (TGA) 146 7.12 Charakterisierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mittels Transmissionselektronenmikroskopie 147 7.13 Schichtstabilitätsuntersuchungen mittels Haftzugfestigkeitsversuch und Scratch-Test 147 8 Anhang 149 8.1 Beschichtungsparameter des Niederdruckspritzverfahrens für die Trägermaterialien ZrO2 und SiO2 149 8.2 Rakeluntersuchung 149 8.2.1 Rakelkonstruktion und Rakelführung 151 8.3 Mikroskopieaufnahmen gerakelter Katalysatorschichten nach DoE (Aufnahmen durchgeführt von M. Optiz – Bachelorarbeit[143]) 153 8.4 Flächenanteile Risse und Löcher im DoE der Rakelbeschichtung und Effekte der Einflussfaktoren und Wechselwirkungen 154 8.5 Ergebnisse der Vorversuche zur Parameterfindung des Katalysatorscreenings 155 8.6 Ergebnisse des Katalysatorscreenings 156 8.7 Konstruktion des zur Validierung verwendeten Mikrospaltreaktors 160 8.8 Erste Validierung des Katalysators NiIrCeOx_IWI mit Stofftransportlimitierung163 8.9 Ergebnisse der Validierung der neun besten Katalysatoren und des Referenzkatalysators im Mikrospaltreaktor 164 8.10 Bestimmung der Aktivierungsenergie 165 8.11 Aufnahmen Katalysatorschicht NiIrCeOx_IWI mittels IR Kamera 166 8.12 Berechnung TOF für Bestimmung der Struktursenisitvität 169 9 Verzeichnisse 171 9.1 Abbildungsverzeichnis 171 9.2 Abkürzungsverzeichnis 177 9.3 Formelverzeichnis 178 9.4 Literaturverzeichnis 180 9.5 Tabellenverzeichnis 190 Danksagung 196 Selbstständigkeitserklärung 198 Wissenschaftlicher Werdegang 199

Die Hydrodehalogenierung von Siliciumtetrachlorid zu Trichlorsilan läuft bei moderaten Temperaturen von 700°C bis 900°C nur in Gegenwart von Katalysatoren mit hinreichender Geschwindigkeit ab. Die 5d- ÜM- Silicide sowie die unter den Reaktionsbedingungen stabilen Chloride der Erdalkalimetalle katalysieren selektiv die Hydrierung von SiCl4 zu HSiCl3. Ein erweitertes Katalysemodell mit Elektronentransferschritten innerhalb der festen Reaktionsschicht wurde postuliert. Voraussetzung dafür ist eine elektrische Leitfähigkeit in der quaternären M- Si- Cl- H- Reaktionsschicht. Dazu wurde die heterogene Bildung von ÜM- Siliciden unter einer H2/SiCl4-Atmosphäre mittels Widerstandsmessungen verfolgt. Die Aktivierungsenergie der Bildungsreaktion korreliert mit der Metallbindungsstärke. Eine Klassifizierung der Wachstumsmechanismen der ersten Silicidphase bezüglich Insel- oder Schichtwachstum ist möglich. Weiterhin ist die Abscheidung und Lösung von Silicium aus einer H2/SiCl4-Gasphase durch eine Metallchloridmatrix untersucht und die quaternäre M- Si- Cl- H- Mischphase chemisch, strukturell und thermodynamisch charakterisiert worden.