Reaktivität und Struktur von heterogenen Katalysatorsystemen

Ein Forschungsprojekt wird beantragt, in dem die chemischen und physikalischen Eigenschaften von angehenden heterogenen Katalysatoren für die Dehydrogenierung von Methanol, die Methanol Bildung aus Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid und Wasserstoff und die Methanol Dampfreformierung untersucht werden sollen. Diese Reaktionen sind sowohl für fortgeschrittene Brennstoffzellen als auch für neuartige Energieerzeugungsmethoden von technischer Bedeutung. Im beantragten Projekt werden vor allem Modellkatalysatoren mit Hilfe von modernen oberflächenanalytischen Methoden untersucht, um ein grundlegendes Verständnis der physikalisch- chemischen Eigenschaften der Modellkatalysatoren zu erlangen. Es werden Pd(111) - Zn Oberflächenlegierungen und eine Pd(111) Oberfläche, die mit dünnen Zinkoxidschichten dekoriert ist, als Modellkatalysatoren untersucht. Diese Systeme werden mit atomarer Präzision untersucht, indem ein oberflächenanalytischer Forschungsansatz verwendet wird. Die Reaktivität der Oberflächen bezüglich der Methanol Dehydrogenierung und der CO und CO 2 Hydrierung wird mit Reflektions Absorptions Infrarot Spektroskopie (RAIRS), Thermischer Desorptions Spektroskopie (TDS), Temperatur programmierter Reaktionsspektroskopie (TDR) und mit Untersuchungen zur Kinetik der Reaktionen unter hohen Drücken, mit Hilfe einer Ultrahochvakuum Kammer, die mit einer ausschließlich aus Glas gefertigten Hochdruckreaktionszelle ausgestattet ist, erforscht. Die Strukturen der Pd - Zn Oberflächenlegierungen und des Zinkoxid - Pd Systems werden mit atomarer Auflösung mittels Rastertunnelmikroskopie (STM), der Streuung niedrig energetischer Elektronen (LEED), Dichtefunktionaltheorie (DFT) und mit Kohlenmonoxid als Testmolekül mittels RAIRS untersucht. Die Kombination der Ergebnisse der Reaktivitätsuntersuchungen und der Ergebnisse der atomaren Strukturaufklärung wird ein komplettes Bild der mikroskopischen Prozesse, die den Mechanismus der Modellreaktionen beeinflussen, liefern. Die beantragte Forschung versucht die Kinetik der Reaktionen unter hohen Drücken zu erklären, indem ein detaillierter physikalisch- chemischer Mechanismus mit Hilfe der Ergebnisse der oberflächenanalytischen Untersuchungen aufgestellt wird. Diese Ergebnisse werden die wissenschaftliche Basis für das wissensbasierte Design von fortgeschrittenen Katalysatormaterialen bringen.

Im Forschungsprojekt "Reaktivität und Struktur von heterogenen Katalysatorsystemen", das vom FWF finanziert wurde, haben wir die physikalisch chemischen Grundlagen einer wichtigen katalytischen Reaktion untersucht. Tragbare elektronische Produkte wie Handys und Laptops bekommen ihre Energie heutzutage aus Akkumulatoren. Eine neue und innovative Methode diese Geräte mit Strom zu versorgen sind Methanolbrennstoffzellen. Diese brauchen keine Zeit zum Wiederaufladen und durch ihre hohe Energiedichte sind zum Beispiel Laptoplaufzeiten bis zu 10 Stunden am Stück möglich. Allerdings kann die Brennstoffzelle das Methanol nicht direkt verwenden. Das Methanol muss mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt werden. Der Wasserstoff wird dann in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung benützt. Ein Katalysator mit dem die Reaktion von Methanol mit Wasser umgesetzt werden kann ist Kupfer auf Zinkoxid. Dieses Katalysatorsystem hat aber den Nachteil, dass es mit der Zeit sowohl an Reaktivität als auch an Selektivität einbüsst. Besonders letzteres ist ein Problem, da das Nebenprodukt Kohlenmonoxid bereits in sehr geringer Konzentration die Brennstoffzelle zerstören kann. Es ist bereits früher gezeigt worden, dass Palladium auf Zinkoxid ein stabilerer und gleichzeitig reaktiverer und selektiverer Katalysator für diese Reaktion ist. Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es die physikalisch- chemischen Grundlagen für die besseren Eigenschaften des Palladium - Zinkoxid Systems zu ergründen. Aus der Literatur war bekannt, dass durch eine teilweise Reduktion des Zinkoxids eine Palladium Zink Legierung entsteht. Die Eigenschaften dieser Legierung wurden in diesem Projekt im Detail untersucht. Dabei konnten wir zeigen, dass die Oberflächenstruktur dieser Legierung eine sehr wichtige Rolle bei der Reaktion spielt. Es sieht sogar so aus, als wäre die Struktur der Hauptgrund für die Selektivität. Wir haben uns auch den Zinkoxid Teil des Katalysators im Detail angeschaut und dabei neuartige Zinkoxidschichten auf Palladium gefunden. Dieses Modellsystem wurde verwendet, um die Reaktivität des Katalysators unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Dabei stellte sich heraus, dass bestimmte Punktfehlstellen im Zinkoxid neben der Legierungsbildung eine wichtige Rolle in der Reaktion spielen. Aufbauend auf unsere grundlegenden Erkenntnisse wird es möglich sein in Zukunft noch bessere Katalysatoren für diese Reaktion zu kreieren. Das wäre eine wichtiger Schritt, um Methanolbrennstoffzellen in der tragbaren Elektronik am Markt zu etablieren.