Oberflächenchemie in der angewandten Katalyse

Dr. Ali M. Abdel-Mageed

Hintergrund: Bei der heterogenen Katalyse handelt es sich um ein Grenzflächenphänomen, bei dem Moleküle/Atome auf festen Oberflächen miteinander reagieren, um bestimmte Produkte herzustellen. Diese Prozesse beinhalten in der Regel eine Reihe komplexer Wechselwirkungen zwischen den Reaktanten und der Katalysatoroberfläche. Ein tiefgreifendes Verständnis dieser Wechselwirkungen ist für die Entwicklung künftiger angewandter/industrieller katalytischer Verfahren unerlässlich.

Aufgabe: In unserer Gruppe streben wir ein grundlegendes Verständnis heterogener katalytischer Phänomene an der Grenzfläche Flüssigkeit/Gas-Festkörper unter Reaktionsbedingungen an, die von idealisierten bis hin zu voll industriellen Bedingungen reichen. Um diesem Ziel zu begegnen, steht die Bestimmung von Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen für ausgewählte katalytische Reaktionen im Mittelpunkt unserer Forschung. Wir erarbeiten in vergleichenden Studien an einigen ausgewählten Reaktionen die Unterschiede, die zwischen der Gas/Fest- und der Flüssig/Fest-Grenzfläche zu beobachten sind. Die Ergebnisse daraus werden uns helfen, das vorteilhafte katalytische Regime für potenzielle Anwendungen zu identifizieren.

Ansatz: Unsere Arbeiten beruhen auf zwei Hauptpfeilern. Erstens wird die Entwicklung katalytischer Materialien für ausgewählte katalytische Prozesse unter Verwendung modernster Synthesemethoden verfolgt (Sol-Gel-Methoden, Abscheidung-Fällung, hydrothermale Verfahren, Kugelmühlen und Photodeposition), wobei der Schwerpunkt auf strukturell variierbare Materialien (metallorganische Gerüste, 2-d-Materialien, freiliegende Kristallflächen) gelegt wird, die als Träger aktiver Metallzentren (einzelne Metallatome, sub-nm-Cluster, Nanopartikel und molekulare Katalysatoren) dienen. Zweitens wird eine detaillierte Charakterisierung der katalytischen Materialien in den verschiedenen Stadien der Katalysatorherstellung, der Aktivierung und während der Reaktion, im Zusammenspiel mit den erzielbaren katalytischen Ergebnissen unter verschiedenen Prozessbedingungen, untersucht. Dabei erarbeiten wir Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen der katalytischen Materialien nicht nur durch Variation typischer Prozessparameter wie Druck, Temperatur, Lastwechsel, sondern auch durch Änderung der Substratphase (flüssig vs. gasförmig) sowie der Prozessführung (batch vs. kontinuierlich). Neben den am LIKAT verfügbaren analytischen Methoden nutzen wir insbesondere Synchrotron-Röntgenstrahlung zur Materialcharakterisierung, die an verschiedenen Speicherringen in Deutschland und Europa zur Verfügung steht.

Forschung im Fokus: Wir konzentrieren uns auf ausgewählte katalytische Prozesse im Zusammenhang mit der Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie der chemischen Speicherung und Umwandlung erneuerbarer Energien, letztlich mit dem Ziel, ressourceneffiziente und grüne Technologien zu etablieren.

Forschungseinrichtungen:

  • Synthese: Gloveboxen; Öfen, Abzugshauben; Zentrifugen, Kugelmühlen
  • Festbett-Durchflussreaktoren für Gas- und Flüssigphasenstudien
  • Autoklaven für Reaktionen unter hohem Druck (p: bis zu 100 bar; T bis zu 500°C)
  • Analytik: Gaschromatographie, Agilent, Shimadzu und GC/MS
  • Röntgen-Absorptionsspektroskopie: Ausrüstung (Reaktionszellen...etc) in Entwicklung