CO-Oxidation an edelmetallfreien Katalysatoren
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer edelmetallfreier Katalysatorsysteme, hier insbesondere mit Fokus auf CO-Oxidation. Dabei sollen die derzeit verwendeten, aber kostenintensiven und möglicherweise toxikologisch bedenklichen Palladium- und Platin-Katalysatoren in Zukunft ersetzt werden.
Im vorliegenen Berichtszeitraum wurden dazu eisen- und manganhaltige Vollkatalysatoren sowie auf Al2O3 geträgerte Katalysatoren mit drei unterschiedlichen Methoden präpariert und hinsichtlich ihrer Eignung zur Verwendung für die katalytische CO-Oxidation untersucht. Die konventionelle Nassimprägnierung wurde zu diesem Zweck mit der Einflammensprühpyrolyse (single flame spray pyrolysis, SFSP) sowie der Zweiflammensprühpyrolyse verglichen. Zur Ableitung von Struktur-Aktivitätsbeziehungen wurden die Materialien mit Hilfe von Transmissionselektronenspektroskopie (TEM), Röntgendiffraktometrie (XRD) Röntgenabsorptionssektroskopie (XAS) und der N2-Physisorption (BET) eingehend charakterisiert. Die aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sollen zum rationalen Design neuer Katalysatoren für die CO Oxidation eingesetzt werden.
Mithilfe der Flammensprühpyrolyse (SFSP) wurden homogene feinkristalline Materialien erhalten. Durch die bessere Dispersion und Homogenität, die sowohl durch TEM-Aufnahmen als auch BET-Untersuchungen bestätigt wurden, zeigten die SFSP-Katalysatoren mit hohem Metallgehalt gegenüber nassimprägnierten Katalysatoren eine deutlich bessere Effizienz bei der CO-Oxidation.
Als Nachteil der SFSP-Methode ist die Bildung von teilweise reduzierten Oxiden bzw. Einlagerungsverbindungen während des Verbrennungsvorgangs zu beobachten. Dies ist vermutlich der Grund für die geringe katalytische Aktivität der Manganoxid-Katalysatoren. Dieser Effekt wurde insbesondere bei niedrigbeladenen Proben mit geringem Metallanteil beobachtet.
Obwohl aus XRD-Untersuchungen keine Aussagen aufgrund sehr kleinen Partikel über die vorliegende Oxidphasen bei geträgerten nach SFSP-Methode hergestellten Materialien möglich war, lässt sich anhand des Diffraktogramms von hergestelltem Bulkoxides vermuten, dass diese im Falle der geträgerten manganbasierten Katalysatoren als Mn2O3 vorliegen. Im Gegensatz dazu konnte nachgewiesen werden, dass bei mittels Imprägnierung hergestellten Mn-Katalysatoren die MnO2-Phase als Aktivkomponente vorliegt.
Besonders effektiv in Bezug auf die Charakterisierung von Nanomaterialien hat sich die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) erwiesen. Die durchgeführten in-situ XAS-H2-TPR Untersuchungen bestätigten die starken Wechselwirkungen der Eisenoxidspezies mit dem Träger im Falle der SFSP-hergestellten Materialien, wodurch das Redox-Vermögen dieser Materialien und folglich ihre katalytische Aktivität herabgesenkt werden. Dies ist insbesondere bei niedrigbeladenen Proben zu beobachten und gilt sowohl für die SFSP- als auch Nassimprägnierte-Materialien. Die Reduktion der imprägnierten 18% Fe-Probe zum Fe0 bestätigt, dass die aktive Metallspezies bei Katalysatoren dieser Herstellungsmethode weniger stark mit dem Träger in Wechselwirkung tritt, was Rückschlüsse auf eine schlechte Dispersion, Inhomogenität und das Vorliegen von großen Agglomeraten zulässt. Die hydrothermale Alterung der 20% Katalysatoren zeigte eine starke Deaktivierung im Falle der Mn/Al2O3-Katalysatoren, die mit Hilfe der Imprägnierung hergestellt wurden. Die mittels SFPS-Methode hergestellten Katalysatoren zeigten dagegen einen relativ niedrigen Verlust an katalytischer Aktivität nach der hydrothermalen Alterung.
Die höchste Effizienz wurde bei den Katalysatoren erhalten, die mit kürzlich mit Hilfe der Zweiflammensprühpyrolyse hergestellt wurden. Im Moment werden diese Katalysatoren bezüglich ihrer Struktur und Eigenschaften weiter untersucht.
Schließlich wurden die Katalysatoren auf deren Stabilität nach der hydrothermalen Alterung sowie auf Wabenkörpern untersucht. Während die durch Imprägnierung hergestellten Katalysatoren nach Alterung bei 700 °C deutlich an Aktivität verlieren, ist dieser Effekt kleiner bei denen, die durch Flammenspraypyrolyse produziert wurden. Daher wird diese Methode im weiteren Gang der Arbeiten weiter verfolgt.