Nanoskalige Materialien für katalytische Prozesse

Übergangsmetallnanopartikel spielen eine große Rolle im Bereich Katalyse, nicht nur in der akademischen Forschung, sondern auch bei vielen Verfahren von großer indust­rieller und gesellschaftlicher Relevanz. Obwohl bereits kleine Verbesserungen der katalytischen Eigenschaften dieser Materialien einen großen ökonomischen bzw. öko­logischen Einfluss haben können, sind die Vorgänge/Mechanismen, die auf der Ober­fläche ablaufen, sowie die Natur des aktiven Zentrums oft nicht verstanden bzw. bekannt. Für ein rationales Design von Katalysatoren mit verbesserter katalytischer Aktivität bzw. Selektivität ist ein besseres Verständnis dieser Grundlagen jedoch Voraussetzung. In diesem Zusammenhang können Modellkatalysatoren mit definier­ten Materialeigenschaften zur Aufklärung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen bei­tragen.

Wir entwickeln maßgeschneiderte Nanopartikel, die wir als Vorläufer zur Herstellung von definierten Modellkatalysatoren für verschiedene Reaktionen nutzen. Die Nanopartikel dienen uns dabei als definierte Bausteine in einem flexiblen Werkzeugkasten, um die Eigenschaften der Katalysatoren gezielt einzustellen. Die Nanopartikel werden in der Regel auf einem Trägermaterial verankert. Wir nutzen die Nanopartikel jedoch auch als quasihomogene Katalysatoren in Form von Dispersionen in flüssigen Trägermedien (z.B. ionische Flüssigkeiten). Maßgeschneiderte, nanopar­tikelbasierte Pulverkatalysatoren können eine Brücke zwischen den grundlegenden Oberflächenuntersuchungen an Einkristallen und der industriellen Anwendung bilden.

Die Entwicklung hochwertiger Nanopartikel und Modellkatalysatoren erfordert ein gro­ßes Repertoire an chemischen Synthesemethoden, die das gezielte Einstellen der Ein­flussgrößen ermöglichen. Wir entwickeln deshalb verschiedene Synthesestrategien wie beispielsweise Solvothermal-, Zersetzungs-, Polyol- und Reduktionsverfahren. Außerdem nutzen wir die besonderen physikochemischen Eigenschaften von ionischen Flüssigkeiten, um Keim-/Wachstumsprozesse in der Flüssigphase zu kontrollieren und die Nanopartikel über schwach koordinierende Anionen / Kationen zu stabilisieren.  Unser Interesse liegt insbesondere bei Metallen, Legierungen und intermetallischen Verbindungen. Wir verwenden verschiedene Charakterisierungsmethoden, um die Nanopartikel und Katalysatoren in Größe, Form, Struktur und Zusammensetzung zu analysieren.

^{Abbildung 1. Wir entwickeln Nanopartikel mit maßgeschneiderter Größe, Form und Zusammensetzung, die wir als Vorläufer bei der Herstellung von Katalysatoren nutzen (Precursor-Prinzip), um Struktur/Eigenschaftsbeziehungen aufzuklären.}

Unser Fokus liegt derzeit insbesondere auf einem besseren Verständnis von Synthe­segasprozessen (einstufige Synthese von Dimethylether aus Synthesegas (CO2/CO/H2) mit bifunktionalen Katalysatoren), der selektiven Hydrierung organischer Sub­strate in der Flüssigphase (quasihomogene Katalysatoren in ionischen Flüssigkeiten) sowie der direkten Synthese von Wasserstoffperoxid aus molekularem Wasserstoff und Sauerstoff. Hier betreiben wir verschiedene kontinuierliche, halbkontinuierliche und Satzreaktoren, um die katalytischen Eigenschaften in Abhängigkeit verschiedener Materialparameter (Größe, Form, Struktur und Zusammensetzung) zu untersuchen. Im Rahmen des SFBs 1441 „Tracking the Active Site in Heterogeneous Catalysis for Emission Control” interessieren wir uns außerdem für die Entwicklung von pulverförmigen Modellkatalysatoren zur Emissionskontrolle.

Ausgewählte Übersichtsartikel:

1. D.I. Sharapa, D.E. Doronkin, F. Studt, J.-D. Grunwaldt, S. Behrens, Moving Frontiers in Transition Metal Catalysis: Synthesis, Characterization and Modeling, Adv. Mater. (2019), 31, 1807381

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