An Overview of the Department's Activities - Leibniz-Institut für ...

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Der Forschungsbereich
im Überblick
Prof. Dr. Angelika Brückner
Bereichsleiterin
Tel.: (0381) 1281 – 244
Fax: (0381) 1281 – 51244
angelika.brueckner@catalysis.de
Forschungsbereich – research area
Katalytische in situ-Studien
Catalytic in situ studies
Ziel der Arbeiten im Bereich ist es, möglichst authentische
Kenntnisse zu Struktur-Wirkungsbeziehungen und Reaktionsmechanismen
als Grundlage für das wissensbasierte Katalysatordesign
zu erarbeiten. Dazu werden arbeitende Katalysatoren
in verschiedenen Reaktionen sowie Einflüsse von Syntheseparametern
auf Katalysatoreigenschaften mit spektroskopischen
Methoden vorzugsweise unter realen Reaktionsbedingungen
untersucht. Die Arbeitsschwerpunkte konzentrierten sich in den
Jahren 2009 und 2010 einerseits auf die Entwicklung neuer
apparativer Möglichkeiten (simultane Methodenkopplungen,
neue spektroskopische Reaktoren) mit dem Ziel, das Methodenpotential
nicht nur für heterogene Gasphasenreaktionen
sondern auch für homogene Flüssigphasenreaktionen zu adaptieren,
da hierdurch das Potential zugänglicher Informationen
enorm erweitert werden kann. Andererseits wurden diese neuen
Techniken beim Studium von nachhaltigen katalytischen Reaktionen
(Selektivoxidationen, Hydrierungen, photokatalytische
Wasserspaltung) und zur Verfolgung von Katalysatorsynthesen
eingesetzt.
In der Themengruppe „Optische Spektroskopie und thermoanalytische
Methoden“ wurde mit der simultanen Kopplung von
operando-DRIFTS/UV-vis/MS-Spektroskopie erstmals die Möglichkeit
geschaffen, während der Reaktion an übergangsmetallhaltigen
Oxid-Katalysatoren gebildete Oberflächenadsorbate
sowie damit verbundene Valenzwechsel aktiver Metallzentren
gleichzeitig zu detektieren. Diese Kopplungstechnik wurde zunächst
für die Untersuchung der oxidativen Carbonylierung von
Methanol (MeOH) zu Dimethylcarbonat (DMC) an CuY-Zeoliten
eingesetzt, besitzt aber ein umfassendes Potential auch für
andere Gasphasenprozesse, in denen Redoxcyclen durchlaufen
werden. Mit Hilfe der simultanen SAXS/WAXS/Raman-Spektroskopie
wurde die Bildung eines festen Präzipitats in einem
Tropfen einer Polyoxometallat-Slurryphase in einer Ultraschallfalle
untersucht. Die Ergebnisse werden im Folgenden genauer
beschrieben.
Für die Aufklärung des Mechanismus und der Kinetik von Flüssigphasen-Reaktionen
wurde eine druckbeständige Reaktionszelle zur simultanen
Registrierung von ATR-, UV-vis- und Raman-Spektren in Multiphasensystemen
entwickelt und am Beispiel der enantioselektiven
Hydrierung von Iminen zu chiralen Aminen mittels chiral modifi-
An Overview of the
Department’s Activities
It is the aim of the work in the department to derive most reliable
and comprehensive knowledge on structure-reactivity relationships
and reaction mechanisms as a basis for rational catalyst
design. For that purpose, we study working catalysts in different
reactions as well as the influence of synthesis parameters on
catalyst properties by spectroscopic techniques, preferentially
under real reaction conditions. The majority of the work in 2009
and 2010 has been focused on the development of new experimental
opportunities such as simultaneous couplings and new
spectroscopic reaction cells to extend the use of the methods
from heterogeneous gas-phase to liquid-phase reactions with
the aim to widen their application potential. On the other hand,
these new techniques have been applied for monitoring different
catalytic reactions (e.g. selective oxidations, hydrogenations,
photocatalytic water splitting) as well as for analyzing
catalyst synthesis processes.
In the thematic group „Optical Spectroscopy and Thermoanalytical
Methods“, the simultaneous coupling of operando-
DRIFTS/UV-vis/MS spectroscopy has been established, that
enables for the first time monitoring of surface intermediates
formed from hydrocarbon reactants together with changes of
the valence state of active transition metal ions in oxidic catalytsts.
This coupling technique has been used so far to study
the oxydative carbonylation of methanol to dimethyl carbonate
over CuY zeolites. However, it can be applied accordingly
also for other catalytic reactions involving redox processes. By
simultaneous SAXS/WAXS/Raman spectroscopy performed at
BESSY in colaboration with BAM in Berlin, the formation of a
solid precipitate in a droplet of a polyoxometallate slurry has
been studied, which is described in more detail below.
For recording simultaneously ATR-, UV-vis and Raman spectra and,
based on these, for deriving kinetics and mechanisms in multiphase
systems, a pressure-resistant reaction cell with implemented fibre-optical
probes has been built and applied in enantioselective hydrogenation
of imines to amines chiral amines over chirally modified supported
noble metal catalysts.[1] In cooperation with the group of P. Langer, this
coupling technique has been applied, too, for analyzing the [3+3]
cyclization of 1,3-bis(silyloxy)-1,3-butadiene with fluorinated
ketenacetales with the aim to identify the role of different Lewis
acids.
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