Theory of Catalytic Processes - Cheatsheet

Energetische Aspekte der Katalyse: Aktivierungsenergie, Reaktionsenergie

Definition:

Aktivierungsenergie: Mindestenergie zur Initiierung einer Reaktion; Reaktionsenergie: Gesamter Energieunterschied zwischen Produkten und Edukten.

Details:

• Aktivierungsenergie (E_a): Energiebarriere, die überwunden werden muss, damit die Reaktion stattfinden kann.
• Katalysatoren senken E_a, erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne selbst verbraucht zu werden.
• Reaktionsenergie (ΔH): Differenz der Enthalpien von Produkten und Edukten.
• Endotherme Reaktion: ΔH > 0, Energieaufnahme
• Exotherme Reaktion: ΔH < 0, Energieabgabe
• Gekoppelte Reaktionen können energetisch ungünstige Schritte durch energetisch günstige Schritte ermöglichen.

Oberflächenchemie und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen

Definition:

Oberflächenchemie untersucht chemische Reaktionen an Materialoberflächen, Struktur-Aktivitäts-Beziehungen beschreiben den Zusammenhang zwischen der Struktur eines Katalysators und seiner katalytischen Aktivität.

Details:

• Oberflächenreaktionen beeinflussen die Katalyse
• Spezifische Oberflächenatome und Adsorptionsstellen entscheidend
• Struktur bestimmt Reaktant-Interaktionen
• Aktive Zentren und ihre Elektronendichte von Bedeutung
• Beispiele: Nanopartikel, Heterogenkatalyse

Katalytische Zyklen und aktive Spezies bei homogener Katalyse

Definition:

Katalytischer Zyklus: Abfolge von Elementarreaktionen, die einen Katalysator durchlaufen muss, um eine chemische Reaktion zu katalysieren. Aktive Spezies: Reaktive Zwischenstufen im Katalysezyklus.

Details:

• Homogene Katalyse: Katalysator und Reaktanten in gleicher Phase
• Katalytischer Zyklus besteht typischerweise aus Aktivierung, Umsetzung und Regeneration
• Katalysatorzyklen oft dargestellt durch Kreislaufdiagramme
• Aktive Spezies können Katalysator-Substrat-Komplexe oder kurzlebige intermediäre Verbindungen sein
• Wichtige Gleichungen:
• Aktivierung: \[ \text{A} + \text{Kat} \rightarrow \text{A-Kat} \]
• Umsetzung: \[ \text{A-Kat} + B \rightarrow \text{C} + \text{Kat} \]
• Regeneration: \[ \text{Kat} \rightarrow \text{Kat}_0 \]

Ad- und Desorption von Reaktanten auf Oberflächen

Definition:

Ad- und Desorption: Schlüsselprozesse in heterogenen Katalysatoren, bei denen Reaktanten auf die Oberfläche adsorbieren und wieder desorbieren.

Details:

• Ad: Bindung von Molekülen an Oberflächen
• Des: Freisetzung von Molekülen von Oberflächen
• Gleichgewicht beschrieben durch die Freundlich- oder Langmuir-Isotherme
• Wichtige Parameter: Aktivierungsenergie und Adsorptionsenthalpie \( \text{K}_\text{ads} \propto e^{-E_a/RT}\ )
• Beeinflusst durch Oberflächenbeschaffenheit und Temperatur

Prozessdesign und Wirtschaftlichkeit in industriellen Anwendungen

Definition:

Optimierung von Katalysatorprozessen zur Maximierung der Effizienz und Minimierung der Kosten in industriellen Anwendungen.

Details:

• Effizienzsteigerung durch optimale Nutzung von Ressourcen
• Kostensenkung durch Prozessoptimierung
• Analyse und Verbesserung der Prozessparameter - Temperatur, Druck, Reaktionszeit
• Einsatz von Wirtschaftlichkeitsanalysen (ROI, Break-even-Point) zur Bewertung
• Simulation und Modellentwicklung zur Vorhersage der Prozessleistung
• Bilanzierung chemischer Reaktionen: \( \text{Stoffbilanz}, \text{Energiebilanz} \)
• Integration von Umwelt- und Sicherheitsaspekten

Industrielle Enzyme: Vorteile und Einschränkungen

Definition:

Enzyme, die in industriellen Prozessen verwendet werden, um chemische Reaktionen zu katalysieren.

Details:

• Hohe Spezifität: katalysieren spezifische Reaktionen
• Geringerer Energieverbrauch: arbeiten bei milderen Bedingungen (Temperatur, Druck)
• Biologisch abbaubar und umweltfreundlich
• Stabilität: Aktivität kann durch pH-Wert und Temperatur beeinflusst werden
• Produktionskosten: teurer als chemische Katalysatoren
• Inhibitoren: Empfindlich gegenüber Hemmstoffen und Schwermetallen

Katalysator-Arten: Homogen vs. Heterogen

Definition:

Unterscheidung von Katalysatoren nach Phasen: homogen (gleiche Phase wie Reaktanten) vs. heterogen (andere Phase als Reaktanten).

Details:

• Homogene Katalysatoren: in der gleichen Phase wie die Reaktanten (meistens flüssig).
• Homogene Reaktionsbedingungen gut kontrollierbar.
• Heterogene Katalysatoren: in einer anderen Phase als die Reaktanten (meistens fest).
• Heterogene Katalysatoren oft leicht abzutrennen und wiederzuverwenden.
• Spezifische Oberflächenbereiche spielen eine Schlüsselrolle bei heterogenen Katalysatoren.
• Reaktionsgeschwindigkeitsgleichung: für homogene Katalysen oft in Form von \textit{Rate Law} mit Konzentrationen, für heterogene oft in \textit{Langmuir-Hinshelwood} Modell.

Charakterisierungsmethoden: TEM, XPS, BET-Messungen

Definition:

Verfahren zur Charakterisierung von Katalysatoren in der chemischen Forschung (Fokus: TEM, XPS, BET).

Details:

• TEM (Transmissionselektronenmikroskopie): Hochauflösende Bildgebungstechnik für innere Strukturen von Materialien; Auflösung: < 1 nm; Proben müssen ultradünn sein.
• XPS (Röntgenphotoelektronenspektroskopie): Analyse der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände von Oberflächen; Elementare Analyse bis zu einer Tiefe von ca. 10 nm; nutzt Photoelektronen.
• BET-Messungen (Brunauer-Emmett-Teller): Bestimmung der spezifischen Oberfläche von porösen Materialien; basiert auf Gasadsorption; verwendet BET-Gleichung: \[ \frac{1}{v \big( p_0/p - 1 \big)} = \frac{c-1}{v_m c} \frac{p}{p_0} + \frac{1}{v_m c} \] wo: v = adsorbierte Gasmenge, p = Druck, p_0 = Sättigungsdruck, v_m = Monolagekapazität, c = BET-Konstante.