Die Verringerung von CO2-Emissionen und die Schaffung eines Kohlenstoffkreislaufs sind Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Mittels Absorption wird CO2 in einem Lösungsmittel (vorrangig Alkoholamine) aus verschiedenen Gasmischungen abgetrennt und anschließend zu Wertstoffen umgesetzt. In der vorliegenden Arbeit war ein kombiniertes Verfahren aus CO2-Absorption und direktem Umsatz von CO2 zu Methanol im Amin zu untersuchen. Die Einsparung des Desorptionsschritts und die Möglichkeit zur Reduzierung der Reaktionstemperatur des exothermen Hydrierprozesses sind wesentliche Vorteile dieser Verfahrensweise. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Performance verschiedener Amine untersucht und die Reaktionsparameter optimiert. Zur Verhinderung auftretender Nebenreaktionen fällt der Suche nach einem neuartigen Feststoffkatalysator besondere Bedeutung zu. Hierbei konnte ein Katalysatorsystem identifiziert werden, mit dessen Einsatz eine deutlich höhere Methanolausbeute als mit dem Standardkatalysator sowie eine Einschränkung der Nebenreaktionen erreicht wurde.

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.

Die Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Synthese von mono- und bimetallischen Katalysatoren basierend auf Iridium, Rhodium und Palladium. Dabei wurden die zweizähnigen Phosphane Bis(diphenylphosphino)methan (dppm), Bis(di-iso-propylphosphino)methan (dippm), Diphenyl-2-pyridylphosphin (PPh2py), 2-(Di-iso-propylphosphino)imidazol (PiPr2Imd) und 2-(Di-iso-propylphosphino)-1-methylimidazol (PiPr2Imd-Me) zur Synthese von monometallischen Ir- und Rh-Komplexen eingesetzt. Diese monometallische Komplexe konnten dann als Präkursoren für die Synthese bimetallischer Komplexe ([M1M2], M1 = Ir, Rh, M2 = Rh, Pd) verwendet werden. Für die später untersuchten Katalysen wurden auch zu den heterobimetallischen IrPd-Komplexen analoge monometallische Pd-Komplexe dargestellt. Die hergestellten Komplexe wurden mittels 1H-NMR-, 31P{1H}-NMR- und IR-Spektroskopie sowie LIFDI-TOF-Massenspektrometrie charakterisiert. Für einige Verbindungen wurden Einkristalle für die Röntgenkristallstrukturanalyse erhalten. Die verschiedenen Komplexe wurden in unterschiedlichen Katalysen erfolgreich als Präkatalysator eingesetzt. So konnten verschiedene Reaktionen wie die Hydrodefluorierung von 1,2-Difluorbenzol, die Transferhydrierung von Acetophenon, die ß-Alkylierung von 1-Phenylethanol und die Phenoxycarbonylierung von p-Iodtoluol mit hohen Umsätzen durchgeführt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die bimetallischen Präkatalysatoren gegenüber den monometallischen in der Hydrodefluorierung, der Transferhydrierung und der ß Alkylierung schnellere Reaktionszeiten und höhere Ausbeuten ermöglichen. In der Phenoxycarbonylierung waren die mono- sowie heterobimetallischen Pd-Komplexe am effizientesten. Durch den Einsatz des heterobimetallischen IrPd-Präkatalysators [IrPdCl3(CO)(PiPr2Imd)2] oder der analogen monometallischen Präkatalysatoren [IrCl(CO)(PiPr2Imd)2] und E-[PdCl(PiPr2Imd+-H)(PiPr2Imd-kP,kN1)]Cl konnten zwei Methoden zur Synthese des Esters 1,3-Diphenylpropyl-4-methylbenzoat entwickelt werden. / The doctoral thesis focuses on the synthesis of mono- and bimetallic catalysts based on iridium, rhodium, and palladium. Bidentate phosphines, namely bis(diphenylphosphino)methane (dppm), bis(di-iso-propylphosphino)methane (dippm), diphenyl-2-pyridylphosphine (PPh2py), 2-(di-iso-propylphosphino)imidazole (PiPr2Imd), and 2-(di-iso-propylphosphino)-1-methylimidazole (PiPr2Imd-Me) were employed for the synthesis of monometallic Ir and Rh complexes. These monometallic complexes were then utilized as precursors for synthesizing bimetallic complexes ([M1M2], M1 = Ir, Rh, M2 = Rh, Pd). For the subsequently investigated catalysis, analogous monometallic Pd complexes to the heterobimetallic IrPd complexes were also prepared. The synthesized complexes were characterized using 1H NMR, 31P{1H} NMR, and IR spectroscopy, as well as LIFDI-TOF mass spectrometry. Single crystals of some compounds were obtained for X-ray crystallographic analysis. These various complexes were successfully employed as precatalysts in different catalytic reactions. Various reactions such as the hydrodefluorination of 1,2-difluorobenzene, transfer hydrogenation of acetophenone, ß-alkylation of 1-phenylethanol, and phenoxycarbonylation of p-iodotoluene were conducted with high turnovers. It was demonstrated that the bimetallic precatalysts, compared to their monometallic counterparts, enable faster reaction times and higher yields in hydrodefluorination, transfer hydrogenation, and ß-alkylation. In phenoxycarbonylation, the mono- and heterobimetallic Pd complexes were most efficient. Two methodologies were developed for the synthesis of the ester 1,3-diphenylpropyl-4-methylbenzoate, using either the heterobimetallic IrPd precatalyst [IrPdCl3(CO)(PiPr2Imd)2] or the respective analogous monometallic precatalysts trans-[IrCl(CO)(PiPr2Imd)2] and E-[PdCl(PiPr2Imd+-H)(PiPr2Imd-kP,kN1)]Cl.

No description available.

Die langfristige Speicherung von überschüssiger Energie aus regenerativen Quellen ist ein ungelöstes Problem der Energiewende. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems bietet das Power-to-Gas-Konzept, bei dem Methan aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid als Ersatz für Erdgas erzeugt wird. Da diese Reaktion kinetisch limitiert ist, ist die Verwendung eines geeigneten heterogenen Katalysators erforderlich. Aufgrund ihrer hohen Aktivität und ihres niedrigen Preises werden häufig nickelhaltige Katalysatoren eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Eignung von Fe-Ni-Hydrotalcit-basierten Katalysatoren für dieses Konzept untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Bestimmung der Abhängigkeit der katalytischen Aktivität vom Eisengehalt lag. Dabei zeigte sich, dass geringe Mengen an Eisen die Methanausbeute verbessern. Eine Erklärung für diese Aktivitätssteigerung liefern die Ergebnisse von in-situ-DRIFTS-Untersuchungen an eisenhaltigen und eisenfreien Ni-Hydrotalcit-Katalysatoren.

A magnetic functionalization of microcrystalline MOF particles was realized using magnetic iron oxide particles. Such magnetic MOFs can be separated using a static magnetic field after use in catalytic processes and heated by an external alternating magnetic field to trigger desorption of encaged drug molecules. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

A modular approach for the synthesis of highly ordered porous and chiral auxiliary (Evans auxiliary) decorated metal–organic frameworks is developed. Our synthesis strategy, which uses known porous structures as model materials for incorporation of chirality via linker modification, can provide access to a wide range of porous materials suitable for enantioselective separation and catalysis. Chiral analogues of UMCM-1 have been synthesized and investigated for the enantioseparation of chiral compounds in the liquid phase and first promising results are reported. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die breite Anwendung von Modellsystemen, um heterogene katalytische Prozesse zu verstehen, basiert darauf, die Lücke der strukturellen Komplexität zu überbrücken zwischen heutigen technischen Katalysatoren, bestehend aus einem Metalloxid sowie einem darauf geträgerten Metall, sowie kristallinen Metallen und planaren Metall/Oxid-Systemen, welche dazu benutzt werden, Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen mittels einer Fülle von Surface Science-Methoden zu untersuchen. In der vorliegenden Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf so genannten Vanadiumoxid-‚Monolagen’-Katalysatoren, die insbesondere für Oxidationsreaktionen von Methanol eingeführt wurden. Mittels eines ‚bottom-up’-Ansatzes wurden Silica-geträgerte Vanadiumoxid-Modellkatalysatoren untersucht. Durch Kombination einer Reihe experimenteller Techniken wurde die Oberfläche von Mo(112), die als Substrat für den Silica-Film diente, im Detail untersucht und die atomare Struktur des Silica-Films wurde ermittelt. Adsorption von Wasser und das Wachstum von Vanadiumoxid-Nanopartikeln auf dem Silica-Film und schließlich die Reaktivität von Vanadiumoxid/Silica-Systemen gegenüber Methanol wurden untersucht. Im Gegensatz zu früher vorgeschlagenen Modellen sollte eine Sauerstoff-induzierte p(2×3)-Überstruktur, die sich auf einer Mo(112)-Oberfläche ausbilded, angenommen werden als ein eindimensionales Oberflächenoxid, bei dem sich Mo=O-Gruppen bevorzugt entlang der [-1-11]-Richtung der Mo(112)-Oberfläche ausbilden. Monolagen-Silica-Filme, die auf Mo(112) gewachsen wurden, bestehen aus einem zweidimensionalen Netz von SiO4-Tetraedern. In Abhängigkeit der Bedingungen, unter denen der Film präpariert wurde, kann die Struktur durch zusätzlich auf dem Mo-Substrat adsorbierte Sauerstoff-Atome verändert werden. Die Defekt-Struktur schließt Antiphasen-Domänengrenzen ein, die durch eine Verschiebung um die halbe Gitterkonstante entlang der [-110]-Richtung gebildet werden, und eine geringe Dichte von Punkt-Defekten, die höchstwahrscheinlich Silizium-Fehlstellen darstellen. Wasser dissoziiert nicht auf dem Monolagen-Silica-Film. Eine Wasser-Struktur, die geordnet bezüglich des Silica-Films ist, wurde bei 140 K beobachtet, was der guten Übereinstimmung der Gitterkonstanten von Silica-Film und hexagonalem Eis geschuldet ist. Amorphe Lagen festen Wassers, die die Oberfläche bei 100 K homogen bedecken, wurden als reaktive Lagen für Vanadiumoxid-Partikel benutzt, um die ‚Nasschemie’ nachzubilden, wie sie in der Präparation technischer Katalysatoren zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Eis-Lagen die Bildung von hydratisierten Vanadiumoxid-Nanopartikeln, welche teilweise von V=O und V-OH-Gruppen terminiert werden, begünstigen. Die Dehydratisierung geschieht oberhalb 500 K, wobei eine V-terminierte Oberfläche entsteht. Methanol dissoziiert auf dehydratisierten Vanadiumoxid-Partikeln, und Methoxy-Spezies sind auf der Oberfläche stabil bis 500 K, allerdings nur in der Gegenwart von V-Plätzen. Die Produktion von Formaldehyd, die bei etwa 550 K stattfindet, ist stark abhängig von der Struktur der Oberfläche der Vanadiumoxid-Partikel und weist ein Maximum bei einem spezifischen Verhältnis zwischen V- und V=O-Oberflächenplätzen auf. Die hier vorgestellten Ergebnisse könnten unser Verständnis von katalytischen Reaktionen auf molekularer Ebene bedeutend vorantreiben. / The widespread use of model systems for understanding the heterogeneous catalytic processes is based on bridging the structural complexity gap between present generation of supported metal and metal oxide technical catalysts and crystalline metal and planar metal/oxide systems, which are utilized to investigate structure-reactivity relationships by a large variety of surface science techniques. In this thesis, we focused on a concept of so-called ''monolayer'' vanadium oxide catalysts, which have been introduced particularly for methanol oxidation reactions. Following a bottom-up approach, silica supported vanadium oxide model catalysts were investigated. Combining a number of experimental techniques, the surface of Mo(112) used as a substrate for the silica films was characterized in detail and the atomic structure of the silica film was determined. Adsorption of water and growth of vanadium oxide nanoparticles on the silica films, and finally the reactivity of vanadium oxide/silica systems towards methanol were studied. In contrast to the previously suggested models, an oxygen induced p(2×3) superstructure formed on a Mo(112) surface should be considered as one dimensional surface oxide where Mo=O groups are formed preferentially along the [-1-11] direction of the Mo(112) surface. Monolayer silica films grown on Mo(112) surfaces are composed of two-dimensional network of SiO4 tetrahedra. Depending on the film preparation conditions, the structure can be altered by additional oxygen atoms adsorbed on the Mo substrate. The defect structure includes antiphase domain boundaries which form by a half-lattice shift along the [-110] direction and a low density of point defects, most probably silicon vacancies. Water does not dissociate on the monolayer silica film. An ordered structure of water with respect to silica film was observed at 140 K owing to good lattice matching between the silica film and hexagonal ice. Amorphous solid water layers homogenously covering the surface at 100 K were used as reactive layers for vanadium oxide particles in order to mimic ''wet chemistry'' used in preparation of technical catalysts. The results revealed that ice layer assisted the formation of hydrated vanadium oxide nanoparticles partially terminated by V=O and V-OH groups. The dehydration takes place above 500 K, thus exposing V-terminated surface. Methanol dissociates on dehydrated vanadium oxide particles and methoxy species are stable on the surface up to 500 K only in the presence of vanadium terminated surface sites. Formaldehyde production which takes place at ~550 K is strongly affected by the surface structure of the vanadium oxide particles and exhibits a maximum at specific ratio between V- and V=O sites on the surface. The results presented may have a strong impact on our understanding of the catalytic reactions at the molecular level.

In dieser Arbeit wurden nanostrukturierte Oberflächen durch Immobilisierung von Gold- und Silber¬nanopartikeln mit Organosilanen hergestellt und bezüglich ihrer Eigenschaften als Substrate für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) untersucht. In Experimenten zum Einfluss von Partikelgröße und -anordnung auf die plasmonischen Eigenschaften wurden wesentliche Erkenntnisse für die Optimierung SERS-aktiver Nanostrukturen gewonnen. Durch Kombination experimen¬teller Untersuchungen, unter Verwendung von spektroskopischen und bildgebenden Ver¬fahren, mit elektro¬dynamischen Simulationen der lokalen Felder, wurden Zusammen¬hänge zwischen den plasmo¬nischen und nanoskopischen Eigen¬schaften von Partikeln auf Oberflächen und ihren SERS-Eigenschaften hergestellt. Die nanostrukturierten Oberflächen weisen hohe und über einen weiten Analyt-konzentrations¬bereich stabile Verstärkungsfakoren bei hoher mikros¬kopischer Homo-genität der Verstärkung auf. Dies macht sie zu geeigneten Substraten für quantitative Anwendungen von SERS. Das Potenzial der nano-strukturierten Ober¬flächen für den Einsatz in analytischen Fragestellungen wurde anhand mehrerer Anwendungen gezeigt. Durch simultane Immobilisierung verschiedener Nano¬partikel unter Verwendung desselben Linker¬moleküls wurden erstmalig Ober¬flächen mit definierten plasmonischen und funktionellen Eigen¬schaften repro¬duzierbar erzeugt. Diese neuartigen Mischsubstrate wurden in der Verfolgung katalytischer Reaktionen eingesetzt, wodurch erstmals Reaktions-konstanten solcher Reaktionen mittels SERS bestimmt werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit legen einen breiten Einsatz der plasmonischen nano¬struk-turierten Ober¬flächen in der Zukunft nahe. Dieser reicht von Untersuchungen in der Kata-lyse¬forschung über mikroskopische Anwendungen von SERS bis zur Verwendung in der klinischen Diagnostik. / Within this work nanostructured surfaces were generated by immobilization of gold and silver nanoparticles with organosilanes and characterized regarding their suitability as substrates for Surface-enhanced Raman scattering (SERS). Essential knowledge for the optimization of SERS-active nanostructures could be found by experimental invest-igations on the influence of particle size and assembly on the plasmonic properties. Through combined experimental investigations, including spectroscopic and imaging techniques, and electrodynamic simulations of local fields, the plasmonic and nanoscopic properties of particles on surfaces were related to their SERS-properties. The nanostructured surfaces exhibit high and, over a wide range of analyte concentration, stable enhancement factors with high microscopic homogeneity. Therefore immobilized nanostructures are suitable substrates for quantitative SERS. The potential for the use of the nanostructured surfaces in analytical problems was shown in various applications. Signal fluctuations that can occur in the detection of complex analyte mixtures can be significantly reduced by immobilization of the nanoparticles. This offers the possibility to use multivariate statistical methods for automated classification and identification of molecule mixtures but also for multiplexing and imaging by SERS. Simultaneous immobilization of gold and silver nanoparticles and gold and platinum nanoparticles using the same linker molecule allowed for the first time to generate surfaces with defined plasmonic and functional properties with low cost and high reproducibility. These new mix and match-substrates were used to follow catalytic reactions and determine reaction constants of such reactions for the first time using SERS. The outcome of this work suggests a wide range of applications of plasmonic nanostructured surfaces in the future. This includes the investigation of catalysis, microscopic applications of SERS and clinical diagnosis.