Clusterkatalyse
Aktuelle Projekte

Das Arbeiten an unserem integrierten Vakuumsystem bringt vielfältige Herausforderungen zur Instandhaltung und Weiterentwicklung mit sich. Dazu gehören neben Wartungsarbeiten die Planung von Betriebsabläufen bzw. von neuen Komponenten. Die häufig komplexen mechanischen oder elektrischen Bauteile sorgen dabei für ein äußerst abwechlungsreiches Arbeitsumfeld. Im Folgenden werden aktuelle, laufende Promotionsprojekte aufgeführt.

Die im UHV in der TPD vorliegenden geringen Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer ermöglichen die Beleuchtung der ablaufenden Reaktionsmechanismen auf einer molekularen Skala. Jedoch sind unter technisch realisierbaren Katalysebedingungen weitere Information zum kollektiven Reaktionsverhalten sowie Alterungsprozessen notwendig, um eine Aussage über die Effektivität der Katalysezyklen zu treffen.
Derzeit ist das Stabilitäts- und Reaktionsverhalten kleiner und mittlerer Clusterkatalysatoren unter technischen Bedingungen unbekannt. Aus diesem Grund wird eine sogenannte Hochdruckzelle entwickelt und verwendet. In dieser Hochdruckzelle kann bei Drücken zwischen wenigen Millibar bis hin zu zwei Bar die mit Katalysatormaterial belegte Oberfläche untersucht werden.
Als Prototypsystem wird die Sabatier-Reaktion an Kupferclustern gewählt, die auf diversen Metalloxiden fixiert. Dieses System hat aus umwelttechnischen und wirtschaftlichen Gründen besondere Relevanz, da es zur CO2-Zyklisierung in industriellen Prozessen und dadurch als neuer Feedstock für höherwertige Chemikalien genutzt werden kann.
Mithilfe dieses Forschungsprojekts soll zukünftig die bestehende Lücke zwischen der Grundlagenforschung an Clusterkatalysatoren und der Anwendung im technischen Prozess verkleinert werden.

Abb. 1: Die Abbildung zeigt links das Modell der entwickelten Hochdruckzelle. Auf der rechten Seite ist deren Funktionsprizip illustriert.
Abb. 1: Die Abbildung zeigt links das Modell der entwickelten Hochdruckzelle. Auf der rechten Seite ist deren Funktionsprizip illustriert.

Literatur

J. Ott, V. Gronemann, F. Pontzen, E. Fiedler, G. Grossmann, D. B. Kersebohm, G. Weiss, C. Witte, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

P. Kaiser, R. B. Unde, C. Kern, A. Jess, Chem. Ing, Tech. 2013, 85, 489.

D. Kim, C. S. Kley, Y. Li, P. Yang, P. Natl. A. Sci. 2017, 114, 10560.

Das Erreichen der Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen ist eine große Herausforderung unserer Zeit. Die herkömmliche Dehydrierung vom Alkan zum Alken ist ein sehr Energie-intensiver Prozess und daher nicht nachhaltig und wirtschaftlich durchführbar. Eine mögliche Alternative dazu ist die Herstellung von Alkenen aus Alkanen durch Oxidative Dehydrierung. Atomgenau präparierte Nanocluster auf oxidischen Oberflächen sind dafür vielversprechende Katalysatoren, da ihre Eigenschaften durch das Hinzufügen oder Entfernen eines Atoms beeinflusst werden können. Zu diesem Zweck werden in diesem Projekt oxidische Oberflächen auf Siliciumeinkristallen aufgewachsen und anschließend mit einer monodispersiven Nanoclusterverteilung bedampft. Die Proben werden anschließend durch Transmissionselektronenmikroskopie, Auger- und Röntgenphotoelektronenspektroskopie charakterisiert. Abschließend wird die katalytische Aktivität des Systems in einem Temperatur-programmierten Experiment untersucht, um eine Korrelation zwischen den physikalischen und chemischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Nanoclustergröße herzustellen.

Literatur

B. Fu, J. Lu, P. C. Stair, G. Xiao, M. C. Kung, H. H. Kung, J. Catal. 2013, 297, 289-295.

H. Zhu, H. Dong, P. Laveille, Y. Saih, V. Caps, J. M. Basset, Catal. Today 2014, 228, 58-64.

R. Koirala, R. Buechel, F. Krumeich, S. E. Pratsinis, A. Baiker, ACS Catal. 2015, 5, 690-702.

Im Zeitalter regenerativer Energien stellt die Umstellung auf ein wasserstoffbasiertes Energienetzwerk eine Möglichkeit der nachhaltigen Energiewirtschaft dar. Um dies realisieren zu können, sind umweltfreundliche und günstige Verfahren zur Wasserstoffgewinnung von notwendig. Dabei bietet die Sonne als global verfügbare Energiequelle einen idealen Ansatzpunkt. Aus diesem Grund befassen sich unsere Forschungen mit dem Grundlagenverständnis alternativer Katalysatoren.

Hierfür werden die katalytischen Eigenschaften kleiner geträgerter Metallcluster (z.B. Platin) auf Titandioxid und Silicium als Modellsysteme für Endschichten aktueller Tandemsolarzellen untersucht. Von besonderem Interesse sind Effekte, die auf verschiedene Clustergrößen zurückzuführen sind und somit die sprunghaften Änderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Clustern wiedergeben.
Die Analyse der Oberflächen erfolgt maßgeblich mittels Photoelektronenspektroskopie, elektochemischern Messungen und temperaturprogrammierter Desorption in Kombination mit bildgebenden Verfahren.

Abb. 3: Elektrochemische Wasserspaltung an kleinen Titandioxid-geträgerten Platinclustern
Abb. 3: Elektrochemische Wasserspaltung an kleinen Titandioxid-geträgerten Platinclustern

Literatur

X. Cheng, Y. Li, L. Zheng, Y. Yan, Y. Zhang, G. Chen, S. Sun, J. Zhang, Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2450.

D. Wang, Z. Liu, W. Yang, ACS Catal. 2018, 8, 7270-7278.

F. Neuberger, J. Baranyai, T. Schmidt, T. Cottre, B. Kaiser, W. Jaegermann, R. Schäfer, Z. Phys. Chem. 2019, 1-19.