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Unterschied zwischen homogener und heterogener Katalyse

Definition:

Unterschied zwischen homogener und heterogener Katalyse - Katalysetypen; Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in gleicher Phase; Heterogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in verschiedenen Phasen.

Details:

• Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in der gleichen Phase (meist flüssig)
• Heterogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in verschiedenen Phasen, typischerweise fester Katalysator und gasförmige oder flüssige Reaktanten
• Vor- und Nachteile: homogene Katalyse - gute Durchmischung, schwierige Abtrennung; heterogene Katalyse - leichte Abtrennung, mögliche Diffusionsbeschränkungen
• Reaktionsmechanismus: homogene Katalyse über molekulare Wechselwirkungen, heterogene Katalyse über Adsorption an Katalysatoroberfläche
• 25 % der industriellen chemischen Prozesse verwenden homogene Katalyse, 75 % heterogene Katalyse

Methoden zur Charakterisierung von Oberflächen (z.B. XPS und STM)

Definition:

Methoden zur Untersuchung chemischer und physikalischer Eigenschaften von Oberflächen.

Details:

• XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie): Analysemethode zur Bestimmung der Elementarzusammensetzung, chemischen Bindungszustände und elektronischen Zustände.
• Grundlage: Photoelektronen, die durch Röntgenstrahlung aus der Probe emittiert werden.
• \[ E = hu - \phi - E_k \] wobei \( E \) die Bindungsenergie, \( hu \) die Energie des einfallenden Röntgenphotons, \( \phi \) die Austrittsarbeit und \( E_k \) die kinetische Energie ist.
• STM (Rastertunnelmikroskopie): Hochauflösendes Abbildungsverfahren zur Untersuchung der Oberflächentopographie und elektronischer Eigenschaften.
• Grundlage: Tunnelstrom, wenn eine scharfe Spitze nahe an die Probe gebracht wird.
• \[ I \propto V \exp \left( - \frac{2 \sqrt{2m}}{\hbar} d \sqrt{\phi} \right) \] wobei \( I \) der Tunnelstrom, \( V \) die angelegte Spannung, \( m \) die Masse des Elektrons, \( \hbar \) das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum, \( d \) der Abstand zwischen Spitze und Probe, und \( \phi \) die Barrierenhöhe ist.
• Wichtige Parameter für beide Methoden: Auflösung, Empfindlichkeit, Probenvorbereitung.

Mechanismen der Katalyse und Reaktionskinetik

Definition:

Exploration der grundlegenden Mechanismen, durch die Katalysatoren chemische Reaktionen beschleunigen, sowie die Untersuchung der Geschwindigkeit und des Verlaufs dieser Reaktionen.

Details:

• Katalyse senkt Aktivierungsenergie: \(\text{E}_a\)
• Homogene vs. Heterogene Katalyse
• Enzymatische Katalyse: Michaelis-Menten-Kinetik
• Reaktionsgeschwindigkeit: \(\text{v} = k \times [\text{A}]^m [\text{B}]^n\)
• Arrhenius-Gleichung: \(\text{k} = \text{A} \times e^{-E_a/RT}\)
• Übergangszustandstheorie
• Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus

In-situ und operando Methoden in der Katalyse

Definition:

Techniken zur Untersuchung von Katalysatoren unter realen Arbeitsbedingungen, während der Reaktion.

Details:

• In-situ: Analyse des Katalysators in seiner Reaktionsumgebung.
• Operando: Kombination aus in-situ Techniken mit der gleichzeitigen Messung der katalytischen Aktivität.
• Ziele: Verständnis der Struktur-Wirkungs-Beziehung, Reaktionsmechanismen verfolgen.
• Methoden: XRD, XAS, IR/Raman-Spektroskopie, NMR.
• Vorteile: Echtzeit-Daten, hohe Relevanz für industrielle Anwendungen.

Adsorptionsprozesse und ihre Typen

Definition:

Vorgang, bei dem Atome, Ionen oder Moleküle aus einem Gas oder einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Feststoffs haften.

Details:

• Physikalische Adsorption: schwache Van-der-Waals-Kräfte, reversible, niedrige Adsorptionsenthalpie
• Chemische Adsorption: starke chemische Bindungen, irreversibel, hohe Adsorptionsenthalpie
• Freundlich-Isotherme: beschreibt nicht-lineare Adsorption bei niedrigen Konzentrationen
• Langmuir-Isotherme: beschreibt Sättigungsadsorption auf homogenen Oberflächen
• BET-Theorie: beschreibt multilagige Adsorption auf porösen Materialien
• Desorptionsprozesse: Abtrennung von adsorbierten Spezies
• Formeln:
• Freundlich: \( q = K_F c^{1/n} \)
• Langmuir: \( q = \frac{q_{\text{max}} b c}{1 + b c} \)
• BET: \[ \frac{c_0}{q (c_0 - c)} = \frac{1}{q_{\text{max}} c_{\text{BET}}} + \frac{c}{q_{\text{max}} c_{\text{BET}}} \]

Herstellung und Modifikation von Katalysatoren

Definition:

Herstellung und Modifikation von Katalysatoren – Synthese von Katalysatormaterialien und nachträgliche Anpassungen zur Optimierung der katalytischen Eigenschaften.

Details:

• Methoden: Imprägnierung, Fällung, Sol-Gel-Methode, Hydrothermalsynthese, CVD, PVD
• Trägermaterialien: z.B. SiO2, Al2O3, TiO2, Zeolithe
• Aktive Komponenten: Übergangsmetalle (z.B. Pt, Pd, Ni), Metalloxide (z.B. V2O5, MoO3)
• Modifikationen: Reduktion, Oxidation, Dotierung, Einleiten von Defekten
• Charakterisierungsmethoden: XRD, TEM, SEM, BET-Oberflächenanalyse, TPD, TPR
• Ziel: Optimierung von Aktivität, Selektivität, Stabilität

Oberflächenreaktionen und katalytische Aktivität

Definition:

Wechselwirkungen an Oberflächen, die zu chemischen Reaktionen führen und die Effizienz von Katalysatoren bestimmen.

Details:

• Katalytische Aktivität abhängig von Oberflächenbeschaffenheit und -energie
• Aktivierungsenergie herabsetzen; Übergangszustände stabilisieren
• Wichtige Mechanismen: Adsorption, Desorption, Oberflächendiffusion, Reaktionswege
• Häufig verwendet: Heterogene Katalyse, z.B. in der Chemie- und Automobilindustrie
• Beeinflussung durch Reaktantenkonzentration, Temperatur und Druck
• Beispiel: Haber-Bosch-Verfahren auf Eisenkatalysator zur Ammoniaksynthese
• Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus: Beide Reaktanten adsorbieren auf der Oberfläche
• Eley-Rideal-Mechanismus: Ein Reaktant aus der Gasphase reagiert direkt mit einem adsorbierten Reaktanten
• Mathematische Modelle zur Beschreibung: Rate-Differenzialgleichungen

Spezifische industrielle Anwendungen von Katalysatoren

Definition:

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen ohne dabei selbst verbraucht zu werden; spezifische industrielle Anwendungen betreffen verschiedene Industrien, um Effizienz und Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Details:

• Ölraffination: Einsatz von Zeolithen zur Katalyse von Crack-Prozessen zur Herstellung von Benzin und anderen Produkten.
• Kunststoffproduktion: Ziegler-Natta-Katalysatoren zur Polymerisation von Olefinen wie Polyethylen und Polypropylen.
• Ammoniaksynthese: Einsatz von Eisenkatalysatoren im Haber-Bosch-Verfahren.
• Hydrierung: Palladium- oder Nickelkatalysatoren zur Hydrierung von Fetten und Ölen in der Lebensmittelindustrie.
• Abgasreinigung: Drei-Wege-Katalysatoren (Pt, Pd, Rh) in Fahrzeugkatalysatoren zur Reduktion von NO_x, CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
• Pharmazeutische Industrie: Enzymkatalysatoren zur Synthese komplexer Moleküle.