Jahresbericht 2007 - Leibniz-Institut für Katalyse
Jahresbericht 2007 - Leibniz-Institut für Katalyse
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Poröse Katalysatorfilme Poröse Katalysatorfilme<br />
Themenleiter:<br />
Dr.-Ing. Ralph Krähnert<br />
Tel.: (030) 6392 – 4115<br />
Fax: (030) 6392 – 4454<br />
ralph.kraehnert@<br />
catalysis.de<br />
Größenvergleich<br />
mikrostrukturierte Kanäle<br />
(Bsp.: Kanalplatte vom<br />
IMM)<br />
Poröse Katalysatorfilme<br />
Zielsetzung<br />
Geträgerte Katalysatoren werden in der heterogenen <strong>Katalyse</strong><br />
typischerweise in Form von Pellets oder Pulvern eingesetzt. Treten<br />
jedoch während der Reaktion hohe Gasgeschwindigkeiten oder starke<br />
Wärmetönungen auf, oder werden dreiphasige Reaktionssysteme<br />
kontinuierlich durchströmt (z.B. Fallfilmreaktoren), so ist es oft<br />
vorteilhaft den Katalysator als Wandbeschichtung in den Reaktor<br />
einzubringen. Dazu sind thermisch und mechanisch stabile Schichten<br />
mit entsprechenden katalytischen Eigenschaften erforderlich.<br />
Ziel der Arbeiten der Gruppe ist die Entwicklung von derartigen<br />
katalytisch aktiven Reaktorbeschichtungen sowie von Verfahren zu<br />
deren Herstellung, in Kombination mit der katalytischen Ausprüfung<br />
und physikochemischen Charakterisierung der synthetisierten<br />
Materialien.<br />
Depokatnm - Rationales Design poröser Katalysatorfilme im<br />
Nanometerbereich<br />
Mikrostrukturierte Reaktoren verfügen - insbesondere bei<br />
Anwendungen in der heterogenen <strong>Katalyse</strong> - über signifikante<br />
Vorteile gegenüber konventionellen Reaktoren bezüglich der<br />
Temperaturkontrolle in Reaktionen mit starker Wärmetönung,<br />
Reaktionsführung im Bereich explosiver Gasgemische, sowie<br />
der Beschleunigung von Stofftransportprozessen. Sie bieten<br />
daher ein erhebliches Potential sowohl <strong>für</strong> die Intensivierung von<br />
heterogen-katalytischen Prozessen als auch <strong>für</strong> die Untersuchung<br />
schneller und stark exothermer Reaktionen unter wohldefinierten<br />
Bedingungen [1,2].<br />
Obwohl viele der in der heterogenen <strong>Katalyse</strong> eingesetzten<br />
mesoporösen Materialien sich hervorragend eignen um auf ihnen<br />
katalytisch aktive Edelmetall-Nanopartikel zu trägern, weisen sie<br />
jedoch oft eine begrenzte Stabilität unter Reaktionsbedingungen<br />
auf, oder sind als Wandbeschichtung <strong>für</strong> Mikroreaktoren nicht<br />
verfügbar. Darüber hinaus mangelt es auch an einem übergreifenden<br />
systematischen Verständnis des rationalen Designs solcher<br />
Katalysatorsysteme, was z.T. durch die Limitierungen bisheriger<br />
Präparationsverfahren bedingt ist.<br />
Ziel des Projektes ist die Erarbeitung einer Methodik, mit der man<br />
Wandkatalysatoren unter gezielter Beeinflussung ihrer nanoskaligen<br />
Dimensionen herstellen und - im Kontext des Gesamtsystems<br />
„Reaktor“ - optimieren kann. Basis da<strong>für</strong> sind die definierte Synthese<br />
von mesoporösen Trägeroxidfilmen und Edelmetall-Nanopartikeln,<br />
deren Charakterisierung, und eine aus dem quantitativen Verständnis<br />
der Präparationsparameter resultierende Eigenschaftsoptimierung.<br />
Aus Verständnis, Kontrolle und Modellierung nanostrukturierter<br />
Katalysatorsysteme und ihres Verhaltens unter Reaktionsbedingungen<br />
soll eine Methodik resultieren, die ein Reaktordesign auf allen Skalen<br />
vom nm über μm bis zum cm-Bereich erlaubt.<br />
Der Schwerpunkt aktueller Untersuchungen [3] liegt im Bereich<br />
der sol-gel-basierten Synthese nanokristalliner Metalloxide<br />
auf mikrostrukturierten Substraten über z.B. dipcoating und<br />
Evaporation-Induced-Self-Assembly unter Verwendung geeigneter<br />
Porentemplate, gefolgt vom Kalzinieren der Schichten. Sowohl<br />
mesoporöse als auch makroporöse Beschichtungen wurden<br />
erfolgreich synthetisiert.<br />
Depokatnm (FKZ 03X5517) wird durch das BMBF im Rahmen des<br />
"BMBF-Nachwuchswettbewerbs Nanotechnologie - NanoFutur" auf<br />
der Grundlage des Rahmenkonzepts "Nanotechnologie erobert<br />
Märkte" sowie des Rahmenprogramms "Werkstoffinnovationen <strong>für</strong><br />
Industrie und Gesellschaft - WING" gefördert und ermöglicht den<br />
Aufbau einer Nachwuchsforschergruppe.<br />
Literatur<br />
[1] R. Kraehnert, M. Baerns, Kinetics of ammonia oxidation over Pt foil<br />
studied in a micro-structured quartz-reactor, Chemical Engineering Journal 137,<br />
2008, 361–375<br />
[2] P. Beato, R. Kraehnert, S. Engelschalt, T. Frank, R. Schlögl, A<br />
Micro-Structured Quartz Reactor for Kinetic and in situ Spectroscopic Studies in<br />
Heterogeneous Catalysis, Chemical Engineering Journal, Volume 135, Supplement<br />
1, 2008, 247-253<br />
[3] S. Sokolov, R. Kraehnert, Towards the synthesis of porous silica coatings<br />
on micro-structured substrates, 20. Deutsche Zeolith-Tagung, Halle / Saale,<br />
2008<br />
Rasterelektronenmikroskopische<br />
Aufnahme eines<br />
mit mesoporösem Silika<br />
beschichteten Mikrokanals<br />
(Übersicht)<br />
BMBF FKZ 03X5517<br />
(„Nanofutur“)<br />
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