Molekulare Katalyse und Materialchemie - Cheatsheet.pdf

Homogene und heterogene Katalyse

Definition:

Unterschied zwischen Homogene und Heterogene Katalyse; beides sind Reaktionsbeschleuniger

Details:

• Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in derselben Phase (meistens flüssig)
• Vorteile: Gute Durchmischung, einfache Steuerung der Reaktionsbedingungen
• Nachteile: Schwierige Trennung von Produkt und Katalysator
• Heterogene Katalyse: Katalysator in einer anderen Phase als Reaktanten (meistens fest und flüssiges oder gasförmiges Reaktant)
• Vorteile: Einfache Abtrennung, oft höhere Stabilität
• Nachteile: Diffusionsbeschränkungen, oft geringere Selektivität

Kinetische Aspekte und Reaktionsbedingungen

Definition:

Kinetische Aspekte und Reaktionsbedingungen betreffen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und die Bedingungen, unter denen diese Reaktionen ablaufen.

Details:

• Geschwindigkeitsgesetze: Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentrationen der Reaktanten
• Arrhenius-Gleichung: \[ k = A \times e^{- \frac{E_a}{RT}} \]
• Übergangszustandstheorie
• Einflussfaktoren: Temperatur, Druck, Konzentration, Katalysatoren
• Thermodynamische vs. kinetische Kontrolle

Röntgenbeugung (XRD)

Definition:

Methode zur Analyse der kristallinen Struktur von Materialien durch Beugung von Röntgenstrahlen.

Details:

• Prinzip: Interferenzmuster entstehen durch Beugung der Röntgenstrahlen an kristallinen Ebenen (Bragg'sches Gesetz: \[ n\lambda = 2d\sin\theta \])
• Information: Gitterparameter, Kristallstruktur, Phasenidentifikation
• Anwendung: Bestimmung der Kristallitgröße, Spannungs- und Texturanalyse
• Instrumentierung: Röntgenquelle, Goniometer, Detektor
• Datenanalyse: Röntgendiffraktogramm mit Peaks, die den kristallinen Phasen entsprechen

Elektronenmikroskopie (SEM, TEM)

Definition:

Elektronenmikroskopie mit SEM und TEM zur Untersuchung von Materialien auf molekularer und atomarer Ebene.

Details:

• SEM: Rasterelektronenmikroskopie zur Oberflächenanalyse mit Elektronenstrahl
• TEM: Transmissionselektronenmikroskopie zur Abbildung der inneren Struktur, Elektronenstrahl passiert Probe
• Beugungsmusteranalyse für kristalline Struktur
• Hohes Auflösungsvermögen: nanoskaliger Bereich
• Probenvorbereitung: Ultradünne Schnitte für TEM

Synthese von Nanomaterialien

Definition:

Herstellung und Strukturierung von Materialien im Nanometerbereich (1-100 nm).

Details:

• Top-down: Reduktion größerer Strukturen auf Nanoskala (Lithographie, mechanisches Mahlen).
• Bottom-up: Aufbau von Nanostrukturen aus Atomen und Molekülen (chemische Dampfabscheidung, Sol-Gel-Prozesse).
• Eigenschaften stark größenabhängig (Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, Quantenkonfinement).
• Typische Materialien: Metalle, Halbleiter, Keramiken, Polymere.
• Anwendungen in Elektronik, Medizin, Katalyse, Energiespeicherung.

Oberflächenstruktur und -reaktivität

Definition:

Zusammenhang zwischen der geometrischen und elektronischen Struktur von Oberflächen und deren chemischer Reaktivität.

Details:

• Oberflächenstruktur beeinflusst Adsorption und Desorption von Reaktanten.
• Reaktivität durch Zahl und Anordnung von Atomen an der Oberfläche bestimmt.
• Verschiedene Kristallebenen (z.B. (111), (100)) haben unterschiedliche Reaktivitäten.
• Oberflächenrekonstruktionen können auftreten, um Energie zu minimieren.
• Katalysatoraktivität korreliert oft mit spezifischen Oberflächenstellen (z.B. Ecken, Kanten).
• Gitterfehlstellen und Defekte können Reaktivität signifikant erhöhen.
• Bedeutung in der heterogenen Katalyse und Materialforschung.

Selbstorganisierende Systeme

Definition:

Selbstorganisierende Systeme: Fähigkeit zur spontanen Ordnungsbildung ohne äußere Steuerung.

Details:

• Selbstassembly: Bildung struktureller Muster durch intermolekulare Kräfte
• Dynamisches Gleichgewicht: Balancierung zwischen Selbstorganisation und Desintegration
• Beispiele: Mizellen, Vesikel, Kolloide
• Einflussfaktoren: Konzentration, Temperatur, pH-Wert
• Treiber: Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Interaktionen
• Anwendungen: Katalyse, Materialchemie, Nanotechnologie

Hybride Materialsysteme

Definition:

Hybride Materialsysteme: Kombination organischer und anorganischer Komponenten zur Optimierung der Materialeigenschaften, oft für Katalyseanwendungen.

Details:

• Funktionelle Synergien durch organisierte Struktur
• Einbindung von Metallkomplexen oder -partikeln
• Spezifische Anwendungen in der heterogenen und homogenen Katalyse
• Beispiele: MOFs (Metall-Organische Gerüste), mesoporöse Materialien
• Stabilisierungsmechanismen berücksichtigen (van der Waals-Kräfte, kovalente Bindungen)
• Charakterisierung über Techniken wie NMR, IR, TEM