Selektivität zu erreichen ist eines der Hauptziele der Chemie. In der Katalyse wird allgemein von einem engen Zusammenhang zwischen der Selektivität und der Katalysatorstruktur ausgegangen - allerdings erschwert die komplexe mikroskopische Struktur realer Katalysatoren ein tiefergehendes Verständnis; daher wird versucht, weitergehende Erkenntnisse an strukturell vereinfachten Materialien zu gewinnen. Für diese Arbeit wurde hierzu ein Pd/Fe3O4-Modellkatalysator verwendet. Auf diesem System wurde die Selektivität in zwei katalytische Modellreaktionen untersucht. Die Reaktantenexposition erfolgte dabei über Molekularstrahlen im Hochvakuum, und die Reaktionsraten wurden massenspektrometrisch gemessen; Adsorbate wurden IR-spektroskopisch detektiert. - Zersetzung von Methanol: Es wird gezeigt, dass Methanol auf dem Oxid Fe3O4 sehr selektiv durch Reaktion mit Oberflächensauerstoff (Mars-van-Krevelen-Mechanismus) zu Formaldehyd und Wasser dehydrogeniert wird. Auf Pd-Metall zersetzt sich Methanol im wesentlichen sehr schnell zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (bzw. zu Kohlenstoffablagerungen in einer Nebenreaktion). Es werden Experimente gezeigt, die darauf hindeuten, dass Diffusion von oxidgebundenem Methanol/Methoxy auf die Pd-Metallpartikel signifikant zur Gesamtaktivität des Modellkatalysators beiträgt. - Umsetzung von 2-Buten mit Deuterium: Zunächst wird gezeigt, dass die Erzielung katalytischer Aktivität kritisch von der dissoziativen Adsorption des Reaktanden Deuterium abhängt, die durch Kohlenwasserstoffadsorbate stark inhibiert wird; es war allerdings möglich, diese Limitierung experimentell zu umgehen. Darüberhinaus wird gezeigt, dass die Hydrierungsreaktion durch die Anwesenheit stark zersetzter Kohlenwasserstoffablagerungen selektiv induziert werden kann, während die alternative Reaktion (H/D-Austausch/Isomerisierung) auch in Abwesenheit dieser Spezies abläuft; mögliche Erklärungsmodelle werden diskutiert. Schließlich wird die mögliche Ursache für die unter bestimmten Reaktionsbedingungen beobachteten unterschiedlichen Reaktionsraten mit cis- und trans-2-Buten als Reaktanten diskutiert. / The achievement of selectivity is one of the main objectives in chemistry. For catalysis, selectivity is generally seen to be closely linked with catalyst structure; the complex microscopic structure of real catalysts, however, obstructs to obtain a deeper understanding; for this reason, structurally simplified materials are studied. For the current work, studies have been conducted on a Pd/Fe3O4 model catayst. On this system, the selectivity in two catalytic reactions has been examined. The exposure of the reactants was effected by molecular beams in high vacuum, and the reaction rates have been measured mass spectrometrically; additionally, adsorbates were detected by IR-spectroscopy. - Decomposition of Methanol: It is shown that on the oxide Fe3O4 methanol is dehydrogenated very selectively to formaldehyde and water by reaction with surface oxygen of the oxide (Mars-van-Krevelen mechanism). On Pd metal it is mainly decomposed very quickly to carbon monoxide and hydrogen (and, in a side reaction, to carbonaceous deposits). Experiments are shown indicating that the diffusion of oxide-related methanol and methoxy to the Pd metal-particles contributes significantly to the overall activity of the model catalyst. - Conversion of 2-Butene with Deuterium: At first it is shown that the catalytic activity depends critically on the dissociative adsorption of the reactant deuterium, which is strongly inhibited by hydrocarbon adsorbates; it was, however, possible to overcome this limitation experimentally. In addition, it is shown that the hydrogenation reaction can be selectively induced in the presence of strongly dehydrogenated carbonaceous deposits, whereas the alternative reaction (H/D-exchange/isomerisation) can proceed also without the presence of those species; possible models for explanation are discussed. Finally, the possible origin of the different reaction rates with cis- and trans-2-butene that were observed only under certain reaction conditions is discussed.

Übergangsmetallsilicide, die geringe Mengen Chlor enthalten, dienen als Modellverbindungen für Katalysatoren in der technischen Siliciumchemie. Bei der Umsetzung von Nickelsiliciden mit NiCl2 entstehen solche chlorhaltigen Silicide. Die erhaltenen Verbindungen wurden chemisch, strukturell und spektroskopisch charakterisiert und thermodynamisch modelliert. Aus kinetischen und thermodynamischen Untersuchungen der Gesamtreaktion sowie der ablaufenden Teilreaktionen, wird ein Modell über den Reaktionsverlauf abgeleitet. Die Bildung chlorhaltiger Nickelsilicide verläuft über gekoppelte Gas-Fest- und Fest-Fest-Reaktionen, in denen metastabile, intermediäre chlorreiche Phasen entstehen. Rückschlüsse auf die technisch relevanten Prozesse werden gezogen.

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.

The following work examines the hydrogenation of p-nitrotoluene in the liquid phase and the partial hydrogenation of acroleine in the gas phase. For both reactions a microchannel reactor (MCR) with catalytically active walls and fixed bed catalysts have been prepared and applicated. In case of the hydrogenation of p-nitrotoluene using the MCR the aim was to prepare a catalytically active wall coating. To achieve this the inner surface of the MCR was anodically oxidized and followed by a deposition of palladium in the resulting oxide layer by means of electrochemical and wetchemical reduction. The resulting coating was modified by promoting it with lanthane. The maximum space time yield of p-toluidine was 7 mols per liter and hour. This is significantly more than the state-of-the-art today which is limited by heat transfer and enables a space time yield in the range of 0.15 to 1.5 mol per liter and hour. Thus, the MCR could be profitably used for this reaction. In case of the partial hydrogenation of acroleine with allyl alcohol as the desired product silver based real and model catalysts have been used. The aim was to identify correlations between the chosen catalyst support and immobilization procedure on one side and the catalytical properties of the resulting catalyst on the other. Aluminum and silicon dioxide have been used as catalyst support. The catalytically active component silver was deposited using conventional wet impregnation procedures as well as electrochemical silver deposition and sputtering of silver. It was possible to discriminate between effects due to the choice of the support material and effects due to the choice of the immobilization procedure. For this reaction, the MCR could not be used profitably. / In der vorliegenden Arbeit wurde die Hydrierung von p-Nitrotoluol in der Flüssigphase und die partielle Hydrierung von Acrolein in der Gasphase untersucht. Für beide Reaktionen wurden Mikrostrukturreaktoren (MSR) mit katalytisch aktiven Wänden sowie Schüttgutkatalysatoren präpariert und eingesetzt. Im Fall der Hydrierung von p-Nitrotoluol im MSR bestand das Ziel in der Präparation einer geeigneten katalytisch aktiven Wandbeschichtung. Dazu wurde die innere Oberfläche des MSR anodisch oxidiert und in der resultierenden Oxidschicht Palladium durch elektrochemische und nasschemische Reduktion abgeschieden. Modifiziert wurden die erhaltenen Beschichtungen durch Lanthanpromotierung. Es wurde eine maximale Raumzeitausbeute an p-Toluidin im MSR von 7 mol pro Liter und Stunde erreicht. Dies ist deutlich höher als der durch die Grenzen des Wärmetransportes limitierte Stand der Technik, der für konventionelle Rührkesselreaktoren im Bereich von 0,15 bis 1,5 mol pro Liter und Stunde liegt. Der MSR konnte damit gewinnbringend für diese Reaktion eingesetzt werden. Für die Hydrierung von Acrolein mit dem Zielprodukt Allylalkohol wurden auf Silber basierende reale und Modellkatalysatoren eingesetzt. Ziel war es, Zusammenhänge zu finden zwischen der Wahl des Katalysatorträgers und der Techniken zur Silberimmobilisierung auf der einen Seite und den katalytischen Eigenschaften des resultierenden Katalysators auf der anderen. Als Trägermaterialien wurden Aluminium und Siliziumdioxid verwendet. Die Aktivkomponente Silber wurde konventionell nasschemisch, elektrochemisch und durch Sputtern abgeschieden. Einflüsse des Trägermaterials auf Aktivität und Selektivität des Katalysators konnten deutlich von den Einflüssen der verschiedenen Techniken der Silberimmobilisierung unterschieden werden. Der Mikrostrukturreaktor konnte für diese Reaktion nicht gewinnbringend eingesetzt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten zu Maleinsäureanhydrid (MSA) eingesetzt. Diese stark exotherme, heterogen katalysierte Umsetzung fand hierbei in Stapeln mikrostrukturierter Aluminiumfolien statt, welche durch parallele Strömungskanäle mit katalytisch wirksamen Oberflächenschichten charakterisiert sind. Als Aktivkomponenten kamen Vanadium-, Phosphor- und Titanoxide zur Anwendung. Ein Vergleich von drei kompakten Mikrostrukturreaktoren mit Kanaldurchmessern der Mikrokanäle von 0,08, 0,2 bzw. 0,4 mm mit einem Schüttgutreaktor wurde durchgeführt. Vorausgehend war die Entwicklung von 3 verschiedenen Methoden zur Immobilisierung von V2O5 und P2O5 auf dem Katalysatorträger bei jeweils unterschiedlichen Katalysatorvorläufern. Die Herstellungsparameter der geeignetsten Immobilisierungsmethode wurden, entsprechend einem Screening in Schüttgutreaktoren, systematisch variiert. Die katalytische Aktivierung der Folien erfolgte nach der gleichen Präparationsvorschrift die zur Herstellung des „besten“ Katalysator-Schüttguts führte. Bei der partiellen Oxidation von 1-Buten außerhalb des Explosionsbereiches bestanden nur geringfügige Unterschiede zwischen den MSA-Selektivitäten im Schüttgut bzw. in der Mikrostruktur (33%). In letzterer wurden hingegen um den Faktor 3 bis 5 höhere Raum-Zeit-Ausbeuten als im Schüttgut erzielt. Des weiteren konnte die partielle Oxidation von 1-Buten innerhalb des Explosionsbereiches ausschließlich in den Mikrostrukturreaktoren explosionssicher - und ohne Anzeichen auf instabile Betriebspunkte – gehandhabt werden. Begleitend dazu fand die Entwicklung und der Einsatz dreier modularer Mikrostrukturreaktoren bei der partiellen Oxidation von 1-Buten statt. Praktische Ergebnisse wurden anhand eines entwickelten Reaktormodells bestätigt.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2009

It was the goal of this work to explore two different synthesis pathways using green chemistry. The first part of this thesis is focusing on the use of the urea-glass route towards single phase manganese nitride and manganese nitride/oxide nano-composites embedded in carbon, while the second part of the thesis is focusing on the use of the “saccharide route” (namely cellulose, sucrose, glucose and lignin) towards metal (Ni0), metal alloy (Pd0.9Ni0.1, Pd0.5Ni0.5, Fe0.5Ni0.5, Cu0.5Ni0.5 and W0.15Ni0.85) and ternary carbide (Mn0.75Fe2.25C) nanoparticles embedded in carbon. In the interest of battery application, MnN0.43 nanoparticles surrounded by a graphitic shell and embedded in carbon with a high surface area (79 m^2/g) were synthesized, following a previously set route.The comparison of the material characteristics before and after the discharge showed no remarkable difference in terms of composition and just slight differences in the morphological point of view, meaning the particles are stable but agglomerate. The graphitic shell is contributing to the resistance of the material and leads to a fine cyclic stability over 140 cycles of 230 mAh/g after the first charge/discharge and coulombic efficiencies close to 100%. Due to the low voltage towards Li/Li+ and the low polarization, it might be an attractive anode material for lithium ion batteries. However, the capacity is still noticeably lower than the theoretical value for MnN0.43. A mixture of MnN0.43 and MnO nanoparticles embedded in carbon (surface area 93 m^2/g) was able to improve the cyclic stability to over 160 cycles giving a capacity of 811 mAh/g, which is considerably higher than the capacity of the conventional material graphite (372 mAh/g). This nano-composite seems to agglomerate less during the process of discharge. Interestingly, although the capacity is much higher than of the single phase manganese nitride, the nano-composite seems to only contain MnN0.43 nanoparticles after the process of discharge with no oxide phase to be found. Concerning catalysis application, different metal, metal alloy, and metal carbide nanoparticles were synthesized using the saccharide route. At first, systems that were already investigated before, being Pd0.9Ni0.1, Pd0.5Ni0.5, Fe0.5Ni0.5 and Mn0.75Fe2.25C using cellulose as the carbon source were prepared and tested in an alkylation reaction of toluene with benzylchloride. Unexpectedly, the metal alloys did not show any catalytic activity, but the ternary carbide Mn0.75Fe2.25C showed fine catalytic activity of 98% conversion after 9 hour reaction time (110 °C). In a second step, the saccharide route was modified towards other carbon sources and carbon to metal ratios in order to improve the homogeneity of the samples and accessibility of the particle surfaces. The used carbon sources sucrose and glucose are similar in their basic structure of carbohydrates, but reducing the (polymeric) chain length. Indeed, the cellulose could be successfully replaced by sucrose and glucose. A lower carbon to metal ratio was found to influence the size, homogeneity and accessibility (as evidenced by TEM) of the samples. Since sucrose is an aliment, glucose is the better choice as a carbon source. Using glucose, the synthesis of Cu0.5Ni0.5 and W0.15Ni0.85 nano-composites was also possible, although the later was never obtained as pure phase. These alloy nano-composites were tested, along with nickel0 nanoparticles also prepared with glucose and on their catalytic activity towards the reduction of phenylacetylene. The results obtained let believe that any (poly) saccharide, including lignin, could be used as carbon source. The nickel0 nano-composites prepared with lignin as a carbon source were tested along with those prepared with cellulose and sucrose for their catalytic activity in the transfer hydrogenation of nitrobenzene (results compared with exposed nickel nanoparticles and nickel supported on carbon) leading to very promising results. Based on the urea-glass route and the saccharide route, simple equipment and transition metals, it was possible to have a one-pot synthesize with scale-up possibilities towards new material that can be applied in catalysis and battery systems. / Im Rahmen dieser Arbeit wird sowohl die Synthese von Mangannitrid- und -oxid-Nanopartikeln, als auch die Synthese verschiedener Metall- und Legierungsnanopartikel untersucht. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Optimierung der Synthese unter den Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit dar, was sich insbesondere in der Verwendung diverser nachwachsender Rohstoffe als Kohlenstoffquelle äußert. Für eine mögliche Anwendung in Akkumulatoren werden mit Graphit ummantelte MnN0.43-Nanopartikel mit einer großen Oberfläche (79 m^2/g) synthetisiert. Diese werden exemplarischen Ladezyklen unterzogen, wobei eine strukturelle und auch elektrochemische Stabilität festgestellt werden kann. Eine Mischung der Mangannitride mit Manganoxiden führt zu einer weiteren Verbesserung der Ladekapazität und einer weiteren Oberflächenvergrößerung (93 m^2/g). Die Langlebigkeit der Strukturen wird durch die Einbettung der Nanopartikel in Kohlenstoff unterstützt und kann zu einer Anwendung als Anodenmaterial in den heutzutage vielfach verwendeten Lithiumionen-Akkus führen. Im Sinne der Nachhaltigkeit ist auch die Entwicklung von Katalysatoren. Dabei soll insbesondere die Verwendung von Lignin, was als Bestandteil vieler Pflanzen zwar leicht verfügbar, aber unglücklicherweise bisher chemisch unverwertbar ist, fokussiert werden. Um sich diesem Ziel zu nähern und entsprechende Mechanismen zur Reduktion des Lignins zu entwickeln, werden in dieser Arbeit zunächst verschiedene Kohlenstoffquellen (wie Cellulose, Sucrose und Glucose) zur Synthese von reduktiven Katalysatoren untersucht. Der Kohlenstoff dient dabei sowohl als preiswertes Reduktionsmittel für Metallsalze zur Gewinnung von Metallnanopartikel als auch zur Stabilisierung ebendieser. Es werden vielfältige Legierungen mit Nickel (z.B. Pd0.9Ni0.1, Pd0.5.Ni0.5, Fe0.5.Ni0.5, und Cu0.5.Ni0.5) aber auch ternäre Carbide (z.B. Mn0.75Fe2.25C) erhalten, die schon in ersten Alkylierungs- und Hydrierungsreaktionen ein großes Potential als Katalysatoren zeigen. Um die erhaltenen Nanopartikel in zukünftigen Anwendungen nutzbar zu machen, ist eine ausführliche Charakterisierung unabdingbar. Auch die Ergebnisse der zahlreichen durchgeführten Analysen werden in dieser Arbeit zusammengestellt und bilden gemeinsam mit den optimierten Syntheserouten einen tiefgreifenden Überblick über dieses Forschungsfeld.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007. / Dateien im PDF-Format.

Techn. Universiẗat, Diss., 2007--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.