Charakterisierung katalytisch aktiver ZrO2-Oberflächen
Sulfatierte Zirconiumdioxide sind hochaktive Katalysatoren für die Isomerisierung von Alkanen, die industrielle Anwendungen bei Reaktionstemperaturen unterhalb 200°C ermöglichen. Im Rahmen des Projekts gelang es erstmals, eindeutige mechanistische Aussagen zu Teilschritten des komplexen katalytischen Kreislaufs und Einsichten in Struktur-Wirkungsbeziehungen zu erhalten. Dies war allein durch die Vernetzung der beteiligten Arbeitsgruppen und das komplementäre Herangehen an die komplexe Problematik möglich. Das Hauptziel der laufenden Arbeiten ist, diese Erkenntnisse (zur Natur der aktiven Zentren und dem Mechanismus der Alkanaktivierung) zu vertiefen und als Basis zur wissensbasierten Synthese von Katalysatoren zu verwenden.
Die Arbeiten an vier Universitäten und dem Fritz-Haber-Institut sollen in drei stark vernetzten Aufgaben-Clustern erfolgen. Diese gruppieren sich um die Themen (i) Charakterisierung der Oberflächenfunktionalität einer neuen Klasse von Zr-Katalysatoren auf Basis von Pulvern, Schichten und Einkristallen, (ii) Beschreibung der Katalyse und Oberflächenreaktivität und (iii) theoretische Modellierung der Alkanaktivierung und Umsetzung.
Im ersten Aufgaben-Cluster werden sulfatierte Zirconiumdioxide auf Basis der in der letzten Förderperiode erhaltenen Resultate über eine völlig neue Route hergestellt. Diese Gasphasen-Sulfatierung soll im Sinne der Überbrückung des Materials Gap an Pulvern und Einkristallen erfolgen. Außerdem werden die in theoretischen Berechnungen als stabil erhaltenen Disulfat-Strukturen auf Pulver aufgebracht und ermöglichen eine weitergehende Untersuchung der aktiven Zentren.
Im zweiten Aufgaben-Cluster wird die Charakterisierung der Oberflächenreaktivität gegenüber unterschiedlichen Alkanen und Alkenen und die Mikrokinetik der Umsetzung leichter Alkane (C4-C7) im Mittelpunkt stehen. Das Methodenspektrum umschließt dabei einen weiten Bereich physikalisch-chemischer und reaktionstechnischer Methoden und liefert die Voraussetzung, das Pressure Gap zu überwinden.
Im dritten Aufgaben-Cluster stehen quantenchemische Berechnungen zur Struktur und Reaktivität unterschiedlich sulfatierter Zirconiumdioxide im Mittelpunkt. Diese liefern die Verknüpfung zwischen mikroskopischer Struktur und experimentellen kinetischen Daten.
Die Kooperation der beteiligten Gruppen hat sich in den letzten beiden Förderperioden bewährt und bietet die Möglichkeit, den Brückenschlag zwischen idealen und realen Systemen in der heterogenen Katalyse am Beispiel der sulfatierten Zirconiumdioxide zu vollenden. Dieses Projekt wird im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Brückenschlag zwischen idealen und realen Systemen in der heterogenen Katalyse" gefördert. Unsere Kooperationspartner sind
- Prof. Dr. Helmut Papp, Uni Leipzig: Transiente Untersuchungen an sulfatiertem ZrO2 und mikrokinetische Modellierung der n-Butan Isomerisierung
- Prof. Dr. Johannes A. Lercher, TU München: Elementarschritte der n-Alkan Aktivierung und Umsetzung an maßgeschneiderten sulfatierten ZrO2-Katalysatoren
- Dr. Friederike Jentoft, Fritz-Haber-Institut Berlin: Adsorption von Sonden und in-situ-Spektroskopie/ Nanokristalline Modellsysteme
- Prof. Dr. Joachim Sauer, HU Berlin: Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen zum Mechanismus der Alkan-Aktivierung von sulfatierten Zirconiumdioxid-Katalysatoren