Heterogenous Catalysis and Kinetics - Cheatsheet

Energieprofile und Aktivierungsenergie

Definition:

Diagramme, die Reaktionswege und Energieniveaus zeigen; Aktivierungsenergie: minimale Energie, die nötig ist, um eine Reaktion zu starten.

Details:

• Energieprofil: zeigt relative Energien von Edukt, Übergangszustand und Produkt
• Aktivierungsenergie (\textbf{\boldmath $E_a$}): Energiebarriere zwischen Edukt und Übergangszustand
• Exotherme Reaktion: Produkte energetisch niedriger als Edukte
• Endotherme Reaktion: Produkte energetisch höher als Edukte
• Katalysator: senkt \textbf{\boldmath $E_a$}, ändert aber Gesamtenergieänderung (\textbf{\boldmath $\triangle E$}) nicht

Oberflächenreaktionen und Adsorptionsphänomene

Definition:

Reaktionen, die an der Oberfläche von Feststoffen ablaufen, oft wichtig in der Heterogenen Katalyse, wo die Adsorption von Reaktanten an Oberflächenzentren entscheidend ist.

Details:

• Physikalische Adsorption: Van-der-Waals-Kräfte
• Chemische Adsorption: Bildung chemischer Bindungen
• Langmuir-Isotherme: Modell zur Beschreibung der Monoschicht-Adsorption
• \[ q = \frac{{q_{\text{max}} K P}}{{1 + K P}} \]
• Freie Energie der Adsorption: \[ \Delta G = \Delta H - T \Delta S \]
• Temkin- und Freundlich-Isotherme: Erweiterungen für komplexere Systeme
• Oberflächenreaktionen: Reaktionsmechanismen z.B. Langmuir-Hinshelwood und Eley-Rideal

Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus

Definition:

Bezieht sich auf einen Reaktionsmechanismus in der heterogenen Katalyse, bei dem beide Reaktanten auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert werden, eine Oberflächenreaktion durchlaufen und desorbiert werden.

Details:

• Reaktionsgeschwindigkeit: abhängig von der Adsorptionsrate und der Oberflächenreaktion
• Wichtige Annahme: Beide Reaktanten müssen auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert sein.
• Gesamtratenbestimmend: meist der langsame Schritt der Reaktionskette.
• Einfluss von Druck und Temperatur: durch Änderung der Adsorptions- und Reaktionsenergien.
• Formel: Reaktionsgeschwindigkeit: \( r = k \frac{K_A P_A K_B P_B}{(1 + K_A P_A + K_B P_B)^2} \)

Eley-Rideal-Mechanismus

Definition:

Im Eley-Rideal-Mechanismus reagiert ein gasförmiges Molekül direkt mit einem adsorbierten Molekül auf der Katalysatoroberfläche.

Details:

• Ein Reaktant adsorbiert auf der Katalysatoroberfläche
• Der andere Reaktant bleibt in der Gasphase
• Kollisionsprozess zwischen dem Gasphasenreaktant und dem adsorbierten Reaktanten
• Bildung eines Übergangszustands und anschließende Reaktion
• Unterschied zum Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus: keine Desorption des gasförmigen Reaktanten notwendig
• Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration des gasförmigen Reaktanten und der Bedeckung des adsorbierten Reaktanten ab
• Typische Anwendung in der heterogenen Katalyse, z.B. Synthesegasreaktionen

Charakterisierungsmethoden für Katalysatormaterialien

Definition:

Charakterisierungsmethoden für Katalysatormaterialien - Untersuchung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Katalysatoren zur Ermittlung ihrer Struktur, Zusammensetzung und Aktivität.

Details:

• Röntgenbeugung (XRD): Bestimmung der kristallinen Struktur
• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): Untersuchung der Morphologie und Nanostruktur
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS): Analyse der Oberflächenzusammensetzung
• N2-Sorption (BET-Methode): Bestimmung der spezifischen Oberfläche
• Infrarotspektroskopie (FTIR): Identifikation von funktionellen Gruppen
• Temperaturprogrammierte Desorption (TPD): Untersuchung der Adsorptions- und Desorptionseigenschaften
• Atomabsorptionsspektroskopie (AAS): Bestimmung der Metallgehalte
• NMR-Spektroskopie: Untersuchung der chemischen Umgebung der Atome

Einfluss von Temperatur und Druck auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Definition:

Temperatur und Druck beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie die kinetische Energie der Reaktanten und die Häufigkeit und Energie der Kollisionen verändern.

Details:

• Temperaturerhöhung führt zu höherer kinetischer Energie und schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten.
• Arrhenius-Gleichung: \[ k = A e^{-\frac{E_a}{RT}} \] (k = Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, A = Präexponentialfaktor, E_a = Aktivierungsenergie, R = Gaskonstante, T = Temperatur)
• Druckerhöhung bei Gasreaktionen führt zu höherer Kollisionseffizienz und kann die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
• Reaktionsgeschwindigkeit bei heterogener Katalyse stark abhängig von den Oberflächeneigenschaften des Katalysators.

Umweltkatalyse und Abgasreinigung

Definition:

Katalytische Prozesse zur Verringerung von Schadstoffen in Abgasen.

Details:

• Reduktion von CO/NOx/HC durch Drei-Wege-Katalysatoren.
• Selektive katalytische Reduktion (SCR) zur NOx-Minderung.
• Ammoniak-Schlupf: $$NH₃-Restemissionen minimieren.
• Katalysator-Arten: $Pt$, $Pd$, $Rh$, zeolithbasierte Materialien.
• Arbeitstemperaturen: $200–500\; \backslash text\{°C\}$

Katalysatorregeneration und Recycling

Definition:

Regeneration und Recycling von Katalysatoren sind Prozesse zur Verlängerung der Lebensdauer und Senkung der Kosten von Katalysatoren durch Entfernung von Verunreinigungen und Wiederverwendung der aktiven Komponenten.

Details:

• Thermische Regeneration: Entfernung von Koksablagerungen durch Brennen in Luft oder Wasserstoff
• Chemische Regeneration: Nutzung chemischer Reaktionen zur Entfernung spezifischer Verunreinigungen
• Mechanische Reinigung: Physikalische Methoden wie Ultraschall zur Entfernung von Ablagerungen
• Recyclingprozesse: Rückgewinnung wertvoller Metalle (z.B. Platin, Palladium) durch hydrometallurgische oder pyrometallurgische Verfahren
• Umweltvorteile: Reduktion von Abfall und Schonung von Ressourcen