Interfaces and Catalysis - Cheatsheet

Unterscheidung zwischen homogener und heterogener Katalyse

Definition:

Zusammenfassung der Unterschiede zwischen homogenen und heterogenen Katalyseprozessen; Fokus auf Katalysatoren in gleichen (homogen) oder unterschiedlichen (heterogen) Phasen wie die Reaktanten.

Details:

• Homogene Katalyse: Katalysator in der gleichen Phase wie die Reaktanten (meistens flüssig).
• Heterogene Katalyse: Katalysator in einer anderen Phase als die Reaktanten (oft fest).
• Homogene Katalysatoren bieten hohe Selektivität und einfache Modellierung.
• Heterogene Katalysatoren sind leicht abtrennbar und wiederverwendbar.
• Wichtige Mechanismen: Adsorption und Desorption bei heterogener Katalyse.
• Homogene Katalysatoren oft empfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit, Stabilitätsprobleme.
• Heterogene Katalyse oft bei hohen Temperaturen und Drücken.
• Reaktionsgeschwindigkeit bei homogener Katalyse durch Diffusion begrenzt, bei heterogener durch Oberflächenprozesse.

Mechanismen der heterogenen Katalyse

Definition:

Beschreibt, wie Katalysatoren die Reaktionsgeschwindigkeit durch Bereitstellung einer alternativen Reaktionsroute mit niedrigerer Aktivierungsenergie erhöhen, wobei die Reaktanten und Katalysatoren in unterschiedlichen Phasen vorliegen.

Details:

• Heterogene Katalysatoren: meist Feststoffe, die mit gasförmigen oder flüssigen Reaktanten reagieren.
• Reaktionsmechanismen: Adsorption, Reaktion auf der Oberfläche, Desorption.
• Schritte: Diffusion der Reaktanten zur Oberfläche, Bindung an aktive Zentren, Umwandlung, Freisetzung der Produkte.
• Langmuir-Hinshelwood- und Eley-Rideal-Mechanismus:
• Langmuir-Hinshelwood: Beide Reaktanten adsorbieren auf der Oberfläche und reagieren dort.
• Eley-Rideal: Ein Reaktant adsorbiert auf der Oberfläche, der andere reagiert direkt aus der Gasphase.
• Katalysatorgifte: Substanzen, die das aktive Zentrum des Katalysators blockieren.

Grundlagen der Adsorption und Desorption

Definition:

Adsorption: Anlagerung von Molekülen an einer Oberfläche. Desorption: Ablösung von adsorbierten Molekülen.

Details:

• Physikalische Adsorption: Van-der-Waals-Kräfte, reversibel
• Chemische Adsorption: chemische Bindungen, oft irreversibel
• Adsorptionsisothermen: Freundlich, Langmuir
• Gleichgewichtskonstante K: \[ K = \frac{{k_{ads}}}{{k_{des}}} \]
• Langmuir-Isotherme: \[ \theta = \frac{{bP}}{{1 + bP}} \]
• Temperaturabhängigkeit: Arrhenius-Gleichung \[ k = A e^{-\frac{E}{RT}} \]

Aktivierungsenergie und Übergangszustände

Definition:

Energie, die notwendig ist, um eine chemische Reaktion zu starten, entspricht der Energie des Übergangszustandes.

Details:

• Übergangszustand: Hochenergetischer Zustand während der Reaktion.
• Aktivierungsenergie: \(E_a\), Differenz zwischen Energie des Übergangszustands und der Edukte.
• Katalysatoren: Senken die \(E_a\) und stabilisieren den Übergangszustand.
• Arrhenius-Gleichung: \[ k = A \exp \left( \frac{-E_a}{RT} \right) \]

Charakterisierungstechniken für Oberflächen

Definition:

Oberflächencharakterisierungstechniken sind Methoden zur Analyse der chemischen, physikalischen und strukturellen Eigenschaften von Oberflächen.

Details:

• XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie): Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Oxidationszustände.
• AFM (Rasterkraftmikroskopie): Oberflächenmorphologie im Nanometerbereich.
• SEM (Rasterelektronenmikroskopie): Hochauflösende Bilder und Oberflächenstruktur.
• FTIR (Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie): Identifikation von funktionellen Gruppen.
• TEM (Transmissionselektronenmikroskopie): Detaillierte Strukturanalyse im atomaren Maßstab.
• STM (Rastertunnelmikroskopie): Abbildung und Manipulation von Oberflächen auf atomarer Ebene.

Methoden zur Untersuchung und Modellierung von Reaktionsmechanismen

Definition:

Verschiedene Methoden zur Untersuchung und Modellierung von Reaktionsmechanismen an Katalysatoroberflächen.

Details:

• Quantenchemie: Berechnung von Potentialflächen, Reaktionsprofilen und Übergangszuständen
• Molekulardynamik-Simulationen: Untersuchung der Bewegungen von Atomen und Molekülen während chemischer Reaktionen
• Surface Science Techniken: Methoden wieSTM, XPS und LEED zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen und -reaktionen
• Kinetische Modellierung: Erstellung von Modellen zur Beschreibung der Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen und ihrer Mechanismen
• Experimentelle Techniken: IR- und Raman-Spektroskopie zur Identifizierung von Zwischenprodukten und Reaktanten

Materialien und Struktur heterogener Katalysatoren

Definition:

Materialien und Struktur heterogener Katalysatoren - in Interfaces and Catalysis (Chemie - Universität Erlangen-Nürnberg).

Details:

• Wichtige Materialien: Metalle (Pt, Pd, Au), Metalloxide (TiO₂, Al₂O₃), Zeolithe, Kohlenstoffe.
• Struktur wirkt sich auf Oberfläche und Zugänglichkeit der aktiven Zentren aus.
• Oberflächenbereich bestimmt durch BET-Methode.
• Zeitträverse Adsorption und Porosität entscheidend für Effektivität.
• Nano-Skala spielt kritische Rolle: Kinetik und Mechanismus der Reaktionen stark durch Partikelgröße bestimmt.
• Wechselwirkung zwischen aktiver Phase und Trägermaterial beeinflusst katalytische Aktivitäten.

Oberflächendiffusion und Reaktionsmodelle

Definition:

Bewegung von Atomen oder Molekülen auf einer festen Oberfläche, essentiell für katalytische Prozesse.

Details:

• Triebkraft: Konzentrationsgradient, Temperatur.
• Mechanismen: Springen, Austausch, Reihenschaltung.
• Fick'sches Gesetz: \[ J = -D \frac{dc}{dx} \]
• Arrhenius-Gleichung für Diffusionskoeffizient: \[ D = D_0 e^{-\frac{E_a}{RT}} \]
• Reaktionsmodelle: Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal.
• Langmuir-Hinshelwood: Reaktanten adsorbieren auf Oberfläche, reagieren dort.
• Eley-Rideal: Ein Reaktant adsorbiert, der andere reagiert direkt aus der Gasphase.
• Wichtig für Heterogene Katalyse, Oberflächenreaktionen.