Katalysatorträger und Zeolith

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Dieser Artikel befasst sich mit den Oberflächenaziditätseigenschaften von Oxidkatalysatoren und -trägern (γ-Al₂O₃, CeO₂, ZrO₂, SiO₂, TiO₂, HZSM5-Zeolith) und deren vergleichender Untersuchung mittels temperaturprogrammierter Ammoniakdesorption (ATPD). ATPD ist eine zuverlässige und einfache Methode, bei der die Oberfläche nach Sättigung mit Ammoniak bei niedriger Temperatur einer Temperaturänderung unterliegt, die zur Desorption von Sondenmolekülen und zur Bestimmung der Temperaturverteilung führt.
Durch quantitative und/oder qualitative Analyse des Desorptionsmusters lassen sich Informationen über die Desorptions-/Adsorptionsenergie und die Menge des an der Oberfläche adsorbierten Ammoniaks (Ammoniakaufnahme) gewinnen. Als basisches Molekül kann Ammoniak als Sonde zur Bestimmung des Säuregrads einer Oberfläche verwendet werden. Diese Daten tragen zum Verständnis des katalytischen Verhaltens der Proben bei und können sogar die Synthese neuer Systeme optimieren. Anstelle eines herkömmlichen Wärmeleitfähigkeitsdetektors (TCD) wurde ein Quadrupol-Massenspektrometer (Hiden HPR-20 QIC) eingesetzt, das über eine beheizte Kapillare mit dem Testgerät verbunden war.
Die Verwendung von QMS ermöglicht die einfache Unterscheidung verschiedener von der Oberfläche desorbierter Spezies ohne den Einsatz chemischer oder physikalischer Filter und Fallen, die die Analyse beeinträchtigen könnten. Die korrekte Einstellung des Ionisationspotenzials des Instruments trägt dazu bei, die Fragmentierung der Wassermoleküle und die daraus resultierende Interferenz mit dem Ammoniak-m/z-Signal zu verhindern. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der temperaturprogrammierten Ammoniakdesorptionsdaten wurden anhand theoretischer Kriterien und experimenteller Tests analysiert. Dabei wurden die Auswirkungen des Datenerfassungsmodus, des Trägergases, der Partikelgröße und der Reaktorgeometrie hervorgehoben und die Flexibilität der verwendeten Methode demonstriert.
Alle untersuchten Materialien weisen komplexe ATPD-Moden im Bereich von 423–873 K auf, mit Ausnahme von Cer, das aufgelöste, schmale Desorptionspeaks zeigt, was auf eine gleichmäßig niedrige Acidität hindeutet. Quantitative Daten belegen Unterschiede in der Ammoniakaufnahme zwischen den anderen Materialien und Siliciumdioxid um mehr als eine Größenordnung. Da die ATPD-Verteilung von Cer unabhängig von der Oberflächenbedeckung und der Heizrate einer Gauß-Kurve folgt, lässt sich das Verhalten des untersuchten Materials als Linearität von vier Gauß-Funktionen beschreiben, die jeweils einer Kombination aus moderaten, schwachen, starken und sehr starken Adsorptionsstellen zugeordnet sind. Nach der Datenerfassung wurde eine ATPD-Modellierungsanalyse durchgeführt, um Informationen über die Adsorptionsenergie des Sondenmoleküls in Abhängigkeit von der jeweiligen Desorptionstemperatur zu erhalten. Die kumulative Energieverteilung nach Ort liefert die folgenden Aciditätswerte basierend auf den mittleren Energiewerten (in kJ/mol) (z. B. Oberflächenbedeckung θ = 0,5).
Als Testreaktion wurde Propen einer Dehydratisierung mit Isopropanol unterzogen, um zusätzliche Informationen über die Funktionalität der untersuchten Materialien zu erhalten. Die Ergebnisse stimmten hinsichtlich der Stärke und Häufigkeit der Oberflächensäurezentren mit früheren ATPD-Messungen überein und ermöglichten zudem die Unterscheidung zwischen Brønsted- und Lewis-Säurezentren.
Abbildung 1. (Links) Dekonvolution des ATPD-Profils mit einer Gauß-Funktion (gelbe gestrichelte Linie stellt das generierte Profil dar, schwarze Punkte sind experimentelle Daten) (rechts) Ammoniak-Desorptionsenergieverteilungsfunktion an verschiedenen Stellen.
Roberto Di Cio Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Messina, Contrada Dee Dee, Sant'Agata, I-98166 Messina, Italien
Francesco Arena, Roberto Di Cio, Giuseppe Trunfio (2015) „Experimentelle Evaluierung der Ammoniak-Temperatur-programmierten Desorptionsmethode zur Untersuchung der Säureeigenschaften heterogener Katalysatoroberflächen“ Applied Catalysis A: Review 503, 227-236
Analysedaten ausblenden. (9. Februar 2022). Experimentelle Evaluierung der Methode der temperaturprogrammierten Ammoniakdesorption zur Untersuchung der Säureeigenschaften heterogener Katalysatoroberflächen. AZ. Abgerufen am 7. September 2023 von https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=14016.
Analysedaten ausblenden. „Experimentelle Evaluierung einer temperaturprogrammierten Ammoniakdesorptionsmethode zur Untersuchung der Säureeigenschaften heterogener Katalysatoroberflächen“. AZ. 7. September 2023 .
Analysedaten ausblenden. „Experimentelle Evaluierung der temperaturprogrammierten Ammoniakdesorptionsmethode zur Untersuchung der Säureeigenschaften heterogener Katalysatoroberflächen“. AZ. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=14016. (Zugriff: 7. September 2023).
Analysedaten ausblenden. 2022. Experimentelle Evaluierung einer temperaturprogrammierten Ammoniakdesorptionsmethode zur Untersuchung der sauren Eigenschaften heterogener Katalysatoroberflächen. AZoM, abgerufen am 7. September 2023, https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=14016.