Oxidkeramische Katalysatoren durch hierarchische Nanostrukturierung molekularer Cluster

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Ziel des Vorhabens ist die Präparation realer nanostrukturierter Katalysatoren mit hierarchischem Aufbau. In einem ersten Präparationsschritt werden Übergangsmetalloxidcluster von V2O5, TiO2 und MoO3 mit 3 bis 60 nm Clustergröße als Precursoren präpariert (Projektteil TUB, Jost, und ACA). Diese Cluster werden anschließend in wäßriger Phase auf pulverförmige µm-große Träger aus TiO2 oder SiO2 als nanostrukturierte Schicht aufgebracht (Projektteil ACA). Die Strukturierung dieser µm-großen Partikel mit Schalenstruktur zu mm-großen Katalysatoren durch Sprühtrocknen und Verpressen soll unter Erhalt der Nanostruktur der Primärpartikel erfolgen (Projektteil TUB). Die eingesetzte Methode für den Schichtaufbau aus nm-großen Übergangsmetallclustern auf der Oberfläche µm-großer oxidischer Träger basiert auf der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Träger und abzuscheidendem Nanopartikel. Gegensätzliche Oberflächenladungen können durch die Einstellung des pH-Wertes (Zeta-Potential) oder unter Zuhilfenahme kationischer organischer Tenside/Oligomere und anionischer anorganischer Polymere (Polyvanadate, Polymolybdate) erreicht werden. Anschließend werden durch Sprühtrocknung und danach durch isostatisches und uniaxiales Pressen unter Beibehalt der Nanostruktur der Primärpartikel die einsetzbaren Katalysatoren in der mm-Dimension geformt (Projektteil TUB). Die erhaltenen Katalysatoren werden am ACA in der Selektivoxidation von Propan als praxisrelevante Modellreaktion getestet. Bei der Selektivoxidation von Propan zu Oxygenaten in überkritischem Kohlendioxid werden geträgerte Katalysatoren mit hoher mechanischer Festigkeit und geeignetem Transportverhalten gefordert, Zielprodukte sind Oxygenate. Im Fall der oxidativen Dehydrierung von Propan ist Propen das Zielprodukt. Unter Annahme des Redox-Mechanismus nach Mars und van Krevelen soll geprüft werden, wie eine Nanostrukturierung der aufgebrachten Übergangsmetalloxidcluster bzw. eine Nanostrukturierung der Trägeroberfläche die Selektivität und Aktivität der Selektivoxidation beeinflussen. Es wird erwartet, daß kleine Cluster bzw. aus diesen aufgebaute nanostrukturierte Schichten eine verbesserte Selektivität in der Selektivoxidation zeigen. Diese Erwartung basiert auf der Annahme, daß Nanoteilchen im Vergleich zu kompakten Oxidphasen eine erhöhte Sauerstoffionendiffusion zeigen. Eine Nanostrukturierung der Übergangsmetallcluster wird durch die damit verbundene höhere Oberfläche auch die Aktivität der Katalysatoren beeinflussen. Sowohl die erhöhte Bereitstellung von Gittersauerstoff durch Festkörperdiffusion für die Selektivoxidation von an der Katalysatoroberfläche adsorbierten Kohlenwasserstoffmolekülen als auch die Reoxidation des oxidischen Katalysators sollten durch eine Nanostrukturierung begünstigt werden.