In vorliegender Arbeit wurde die Alkylierung von Benzol mit Styrol in der Gasphase an kommerziellen Alumosilikat-Katalysatoren und an selbst präparierten Katalysatoren untersucht. Letztere wurden durch Imprägnierung von SiO2-Trägern mit Vorläuferlösungen von AlCl3 bzw. Phosphormolybdänsäure hergestellt. Die Katalysatoren wurden durch Bestimmung von BET-Oberfläche, spezifischem Porenvolumen und mittlerem Porendurchmesser (N2-Adsorption) sowie von Acidität (FTIR nach Pyridin-Adsorption und 2-Propanol-Dehydratisierung) charakterisiert. Die Alkylierung wurde unter Variierung der Katalysatoracidität und der Temperatur durchgeführt. Es erfolgte neben der Alkylierung zu 1,1-Diphenylethan auch die Styroldimerisierung zu 1-Methyl-3-Phenylindan und zu 1,3-Diphenyl-1-Buten. Daneben wurde die Bildung von Ethylbenzol beobachtet. Die höchste Selektivität zu 1,1-Diphenylethan mit ca. 13 % wurde am Katalysator S50-F und mit ca. 17 % am Katalysator HPS 2 erreicht, die höchste zu cis- und trans-1-Methyl-3-Phenylindan mit insgesamt 76,6 % am Katalysator ALS1-F. Hinsichtlich des Einflusses von Brönsted- und Lewis-aciden Zentren auf Umsatzgrad und Produktselektivitäten wurde ein Vorschlag unterbreitet und für die Produktbildung ein Reaktionsschema entwickelt.

Die galvanische Abscheidung von Iridium aus bromhaltigen Elektrolyten ist aus der Fachliteratur bekannt. Zum besseren Verständnis des Abscheidemechanismus und der nachlassenden Stromausbeute im Betrieb werden umfangreiche Untersuchungen zu den Parametereinflüssen und der Badzusammensetzung diskutiert. Im Fokus des Interesses steht der Oxidationszustand des Iridiums, der für die Abscheidung günstig ist und die Bildung eines Aquakomplexes, der zu abnehmenden Stromausbeuten mit zunehmendem Badalter führt. Die gebildeten Schichten werden hinsichtlich zweier Anwendungsfelder charakterisiert. Die Applikation geschlossener Schichten als Kontaktwerkstoff für die Beschichtung hochbeanspruchter Steck- und Schleifkontakte wird anhand von Beschichtungsversuchen an Demonstratorbauteilen diskutiert. Im zweiten Anwendungsfeld wird die galvanische Abscheidung vereinzelter Iridiumpartikel auf der Oberfläche von PEM-Elektrolyseuren mit Hilfe der Pulsstromtechnik und die katalytische Aktivität der erzeugten Oberflächen für die Sauerstoffbildungsreaktion untersucht. / The electrodeposition of iridium from bromine-containing electrolytes is well known from the literature. For a better understanding of the deposition mechanism and the decreasing current yield during operation, extensive investigations on the parameter influences and the bath composition are discussed. The focus of interest is the oxidation state of iridium, which is favorable for deposition, and the formation of an aqua complex, which leads to decreasing current yields with increasing bath age. The formed coatings are characterized with respect to two fields of application. The application of closed layers as contact material for the coating of highly stressed plug and sliding contacts is discussed on the basis of coating tests on demonstrator components. In the second field of application, the electrodeposition of isolated iridium particles on the surface of PEM electrolyzers using pulse current technology and the catalytic activity of the generated surfaces for the oxygen formation reaction are investigated.

In vorliegender Arbeit wurde die Alkylierung von Benzol mit Styrol in der Gasphase an kommerziellen Alumosilikat-Katalysatoren und an selbst präparierten Katalysatoren untersucht. Letztere wurden durch Imprägnierung von SiO2-Trägern mit Vorläuferlösungen von AlCl3 bzw. Phosphormolybdänsäure hergestellt. Die Katalysatoren wurden durch Bestimmung von BET-Oberfläche, spezifischem Porenvolumen und mittlerem Porendurchmesser (N2-Adsorption) sowie von Acidität (FTIR nach Pyridin-Adsorption und 2-Propanol-Dehydratisierung) charakterisiert. Die Alkylierung wurde unter Variierung der Katalysatoracidität und der Temperatur durchgeführt. Es erfolgte neben der Alkylierung zu 1,1-Diphenylethan auch die Styroldimerisierung zu 1-Methyl-3-Phenylindan und zu 1,3-Diphenyl-1-Buten. Daneben wurde die Bildung von Ethylbenzol beobachtet. Die höchste Selektivität zu 1,1-Diphenylethan mit ca. 13 % wurde am Katalysator S50-F und mit ca. 17 % am Katalysator HPS 2 erreicht, die höchste zu cis- und trans-1-Methyl-3-Phenylindan mit insgesamt 76,6 % am Katalysator ALS1-F. Hinsichtlich des Einflusses von Brönsted- und Lewis-aciden Zentren auf Umsatzgrad und Produktselektivitäten wurde ein Vorschlag unterbreitet und für die Produktbildung ein Reaktionsschema entwickelt.

Diimidazolium salts featuring different bridges between the imidazolium groups, as well as electron-withdrawing groups (chloride, cyanide) at the 4- and 5-position of the heterocyclic rings, have been successfully prepared. The diimidazolium salts serve as convenient precursors of di(N-heterocyclic carbene) ligands, which coordinate in a chelating fashion to palladium(II) centres. The effect of the newly introduced electron-withdrawing groups on the spectroscopic and structural characteristics of the resulting complexes as well as on their reactivity as catalysts in a model alkyne hydroarylation reaction has been investigated and is discussed herein.

Alumina-containing binders are widely used for the binding of catalyst particles by spray drying and calcination. As a part of the active matrix, they contribute to the catalytic performance of the resulting catalyst grain during hydrocarbon cracking. In this study, correlations are investigated using different compositions of Al- and Si-based binders (AlCl3 and colloidal silica) together with kaolin as a filler and ZSM-5 zeolite as an active compound. It was demonstrated that the conversion of a 50:50 hexane mixture, the selectivity toward unsaturated hydrocarbons, and the shape-selective conversion of the hexane feed are highly dependent on the amount and distribution of alumina in binder formulations. While silica species are distributed near the outer shell of catalyst grains, the alumina species are distributed evenly as an adhesive between the catalyst compounds ZSM-5 and kaolin. An optimum amount of alumina in binder formulations results in an increasing conversion of hydrocarbon feedstock due to optimum in active-site accessibility but only a slight decrease in shape-selective properties compared to pure ZSM-5, resulting in an optimum yield of light olefins, especially propylene.

Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Entwicklung einer Methode zur Quantifizierung saurer Zentren auf Festkörperoberflächen mittels 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbierten Pyridinmolekülen. Die 15N-Festkörper-NMR von adsorbiertem Pyridin ermöglicht die Unterscheidung verschiedener Arten von sauren Zentren, wie Lewis- und Brønsted-Zentren. Die Bestimmung der Art und der Konzentration auftretender saurer Zentren ist entscheidend, um die katalytische Aktivität fester Katalysatoren in einer Reaktion zu verstehen. Da 15N-NMR-Messungen zumeist zeitaufwendig sind, wurde in dieser Arbeit eine zeitoptimierte Messroutine entwickelt, die auf der Messung von 15N-Einzelpuls-Spektren mit kurzen Pulswiederholzeiten beruht. Um diese Spektren quantitativ auswerten zu können, müssen die detektierten NMR-Signale bezüglich ihrer T1-Relaxation korrigiert werden. Zudem treten in 15N-Einzelpuls-NMR-Spektren oft starke Störungen der Basislinie auf. Zur Unterdrückung dieser Störsignale wurde die EASY-Methode entwickelt, die auf der Messung von zwei schnell aufeinander folgenden Spektren basiert. Mittels dieser Methode können auftretende Störsignale in quantitativen 15N-NMR-Spektren unterdrückt werden. Die entwickelte zeitoptimierte Quantifizierungsmethode wurde an zwei Probenserien von festen Säuren getestet; zum einen an Aluminiumhydroxidfluoriden, als Vertreter von Verbindungen mit stark sauren Zentren, und zum anderen an hydroxylierten Magnesiumfluoriden, als Vertreter schwach saurer Verbindungen. Der Vergleich mit anderen quantitativen Methoden zeigte, dass die 15N-Festkörper-NMR-Spektroskopie von adsorbiertem Pyridin hervorragend für die Quantifizierung saurer Zentren geeignet ist und Einblicke in die katalytische Aktivität fester Katalysatoren ermöglicht. / The aim of the present dissertation was to develop a method for the quantification of acidic sites on solid surfaces by 15N solid-state NMR with pyridine as probe molecule. 15N NMR of adsorbed pyridine allows to distinguish different types of acidic sites like Lewis and Brønsted sites. The determination of the kind and concentrations of occurring acidic sites is crucial to understand the catalytic activity of a solid catalyst in a reaction.15N NMR measurements are often time-consuming. Hence, a time-optimized NMR quantification procedure was developed which uses 15N single pulse spectra with short pulse repetition delays. For quantitative analysis of these spectra, occurring signals were corrected according to their T1 relaxation. Furthermore, often strong baseline disturbances are observed in single pulse spectra. For the suppression of these disturbances, the EASY method was developed. The EASY method uses two successive scans to obtain quantitative NMR spectra, in which baseline disturbances are suppressed. The developed time-optimized method for the quantification of acidic sites was applied on two series of samples. One series of aluminum hydroxide fluorides as representatives of catalysts with strong acid sites and one series of hydroxylated magnesium fluorides as representatives of weak acidic catalysts. The comparison with other quantitative methods shows that 15N solid-state NMR of adsorbed pyridine is an excellent method for the quantification of acidic sites, because insights in the catalytic activity of a catalyst can be gained.

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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.:Inhalt 1. Einleitung 2. Aufgabenstellung 3. Grundlagen 3.1 Schadstoffbildung bei der Verbrennung fossiler Energieträger 3.2 Verfahren zur Schadstoffminderung bei Kraftfahrzeugen 3.3 Aktueller Stand der Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren für die dieselmotorische Abgasnachbehandlung 4. Verwendete Analysemethoden und Aufbau der Laborapparaturen 4.1 Untersuchungen zur Struktur der Katalysatoren 4.1.1 Stickstoff-Physisorption 4.1.2 Temperaturprogrammierte Experimente 4.1.3 Röntgendiffraktometrie 4.1.4 DRUV/VIS-Spektroskopie 4.1.5 Diffuse Reflexions-Infrarot-Fourier-Transformations-Spektroskopie 4.1.6 Transmissionselektronenmikroskopie 4.1.7 Mößbauer-Spektroskopie 4.1.8 Raman-Spektroskopie 4.2 Untersuchungen zur Analyse von Gasen 4.2.1 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) 4.2.2 Massenspektrometrie 4.3 Aufbau der Laborapparaturen 4.3.1 Laborapparatur für Aktivitätsmessungen sowie für temperaturprogrammierte Experimente 4.3.2 Laborapparatur zur Durchführung von DRIFTS-Experimenten 5 Experimentelle Ergebnisse 5.1 Katalysatorpräparation 5.2 Charakterisierung der frischen Katalysatoren 5.3 Charakterisierung der hydrothermal gealterten Katalysatoren 5.4 Aktivitätsmessungen 5.4.1 Oxidation von Kohlenmonoxid 5.4.2 Oxidation von Propen 5.4.3 Oxidation von Stickstoffmonoxid 5.4.4 Oxidation von Ammoniak 5.5 Untersuchungen zur Standard-SCR-Reaktion 5.5.1 Aktivitätsuntersuchung an frischen Katalysatoren 5.5.2 Aktivitätsuntersuchung an hydrothermal gealterten Katalysatoren 5.5.3 Untersuchungen zum Mechanismus der SCR-Reaktion 6. Diskussion der Ergebnisse 6.1 Struktur-Aktivitäts-Beziehung der FexO/Al2O3-Katalysatoren 6.1.1 Struktur der Eisenoxidspezies 6.1.2 Quantifizierung der Eisenoxidspezies 6.1.3 Modell zur Berechnung der spezifischen Aktivität der Katalysatoren 6.1.4 Sensitivitätsanalyse des entwickelten Modells 6.1.5 Anwendung des Modells bei der Oxidation von CO, C3H6, NO und NH3 6.1.6 Struktur-Aktivitäts-Beziehung der FeOx/Al2O3-Katalysatoren bei der Oxidation von CO, C3H6, NO und NH3 6.2 Evaluation der SCR-Aktivität der FeOx/Al2O3-Katalysatoren 6.2.1 Untersuchungen an frischen Katalysatoren 6.2.2 Einfluss der hydrothermalen Alterung auf die Katalysatorstruktur und -aktivität bei der Standard-SCR-Reaktion 6.3 Mechanismus der Standard-SCR-Reaktion an FeOx/Al2O3-Katalysatoren 7. Ausblick 8. Literaturverzeichnis 9. Anhang

Single-atom catalysts (SACs), as promising alternatives to Pt-based catalysts, suffer from the limited choice of center metals and low single-atom loading. Here, we report a pentacoordinated Zr-based SAC with nontrivial axial O ligands (denoted O−Zr−N−C) for oxygen reduction reaction (ORR). The O ligand downshifts the d-band center of Zr and confers Zr sites with stable local structure and proper adsorption capability for intermediates. Consequently, the ORR performance of O−Zr−N−C prominently surpasses that of commercial Pt/C, achieving a half-wave potential of 0.91 V vs. reversible hydrogen electrode and outstanding durability (92 % current retention after 130-hour operation). Moreover, the Zr site shows good resistance towards aggregation, enabling the synthesis of Zr-based SAC with high loading (9.1 wt%). With the high-loading catalyst, the zinc-air battery (ZAB) delivers a record-high power density of 324 mW cm−2 among those of SAC-based ZABs.

Die vorliegende Dissertationsschrift umfasst systematische Untersuchungen zur Oxidation von Methan und Formaldehyd an Eisenoxid-Vollkatalysatoren im sauerstoffreichen Abgas von Gasmotoren. Als Brennstoff kann sowohl biogenes als auch fossiles Methan eingesetzt werden, wobei mit Biogas betriebene Motoren im Fokus dieser Arbeit stehen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass α-FeOOH-stämmige Katalysatoren eine hohe Oxidationsaktivität aufweisen. Unter abgastypischen Bedingungen startet die Umsetzung von Formaldehyd bei 150 °C und verläuft oberhalb von 300 °C vollständig. Der Methanumsatz beträgt bei 550 °C bis zu 30 %. Weiterhin liefern Struktur-Aktivitäts-Korrelationen sowie mechanistische Studien ein molekulares Verständnis für die Umsetzung der beiden Schadstoffe und bestimmende Eigenschaften der Eisenoxid-Katalysatoren. Zum einen wird deutlich, dass bei einer großen BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und Anzahl azider Adsorptionszentren sowie geringer Kristallitgröße (< 50 nm) eine hohe Methanoxidationsaktivität erhalten wird. Dabei liegen die Katalysatoren unter den abgastypischen Bedingungen in der α-Fe2O3-Modifikation vor. Des Weiteren ist eine hohe Redoxaktivität bzw. Sauerstoffmobilität von signifikanter Bedeutung. Die Methanumsetzung findet durch sequenzielle Abstraktion der Wasserstoffatome statt und wird demnach maßgeblich durch Wasserstofftransferprozesse und die Verfügbarkeit von aktiven Sauerstoffspezies auf der Katalysatoroberfläche beeinflusst. Die kinetische Modellierung der Methanoxidation legt die Umsetzung nach einem Langmuir-Hinshelwood-basierten Mechanismus nahe. Hierbei wird eine Aktivierungsenergie von 131 kJ∙mol-1 erhalten. Für eine hohe katalytische Aktivität bei der Formaldehydkonversion sind eine große BET-Oberfläche (> 20 m2∙g-1) und eine hohe Verfügbarkeit von Hydroxidgruppen essentiell. Die Oxidation verläuft bei tiefen Temperaturen (< 300 °C) vorwiegend nach einem Cannizzaro-Mechanismus, wobei als wesentliche Zwischenprodukte Methoxy- und Formiat-Spezies entstehen. Erstere sind die Ursache für die Methanolbildung im Anspringbereich der Umsetzung. Als katalytisch aktive Spezies können oberflächliche Hydroxidgruppen identifiziert werden, die an der Oberfläche der Fe2O3-Katalysatoren vorhanden sind und den Ablauf der Cannizzaro-Reaktion ermöglichen. Darüber hinaus wird im Rahmen der Aufskalierung des aktivsten Fe2O3-Katalysators das Potential für die Schadstoffminderung sowohl im Labormaßstab als auch an einem Gasmotor aufgezeigt. Hierbei wird Formaldehyd am frischen Katalysator vollständig zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt, während die Oxidation des Methans aufgrund zu tiefer Temperaturen des Abgases nicht stattfindet.