3 Katalytische Performance der Mo/V(/W)-Mischoxide - tuprints

2 Einführung
selektiven Umwandlung komplexer Moleküle, im Umweltschutz sowie bei der
Alkanaktivierung und der Selektivoxidation von Propan über Propen und Acrolein zu
Acrylsäure. Im Fokus liegen also wirtschaftlich bedeutende Reaktionen.
Etwa ein Viertel aller organischen Produkte weltweit wird über Selektivoxidationen
erzeugt.[Gra2002] Entsprechend ihrer ökonomischen Bedeutung sind diese Prozesse hoch
entwickelt, so dass z. B. bei der zweistufigen Synthese der Acrylsäure ausgehend von
Propen Ausbeuten von über 90 % erreicht werden. So optimiert die industriellen
Katalysatoren aber auch sein mögen, so wenig ist meist über ihre Funktion auf atomarer
Ebene bekannt. Weitere Verbesserungen oder die Adaption des Katalysators an
vermeintlich ähnliche Synthesen, wie z. B. die Produktion der Methacrylsäure, gelingen
jedoch nur durch ein systematisches Verständnis von Struktur und Mechanismus auf
atomarer Ebene.
Um dieses tiefere Verständnis der Funktionsweise der heute immer noch weitgehend
empirisch und durch High-Throughput-Methoden entwickelten heterogenen
Katalysatoren zu erreichen, bedarf es deren In-situ-Charakterisierung. Dieser Begriff
bezeichnet die Beobachtung des arbeitenden Katalysators mittels unterschiedlichster
physikalisch-chemischer Methoden unter realen Prozessbedingungen (bzgl. Temperatur,
Druck und Gaszusammensetzung). Der Katalysator wird dabei entweder direkt durch
verschiedene spektroskopische Messtechniken, wie z. B. Infrarot-, NMR- und
Röntgenabsorptionsspektroskopie, oder indirekt über Online-Analyse der Produkte
charakterisiert. So lassen sich z. B. detaillierte Informationen über die Natur der
katalytisch aktiven Zentren des Feststoffs unter Reaktionsbedingungen gewinnen und
Zwischenstufen der katalysierten Reaktion an der Feststoffoberfläche detektieren. Die
Aufklärung von Ursachen für die Deaktivierung fester Katalysatoren ist dabei von
besonderer Bedeutung für die industrielle Katalyse. Unterstützt werden die Ergebnisse
aus In-situ-Messungen durch mathematische Modellierungen, die in der Katalyse seit
Jahren etabliert sind. Bereits in der Anfangsphase der Katalyse wurden mikrokinetische
Modelle formuliert. Die früher üblichen analytischen Näherungslösungen werden heute
insbesondere im Zusammenhang mit der steigenden Leistungsfähigkeit von Computern
durch numerische Integration der entsprechenden Gleichungssysteme ersetzt.