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Heterogene Katalyse

• Heterogen katalysierte Reaktionen sind von enormer technischer Bedeutung.

• Zahlreiche Prozesse laufen an der Oberfläche fester Katalysatoren mit hoher Geschwindigkeit und Selektivität ab.

• Durch moderne Methoden haben wir mittlerweile detaillierte Einblicke in den Ablauf vieler katalytischer Reaktionen gewonnen.

• Teilweise können die Ergebnisse von Experimenten unter Ultrahochvakuumbedingungen auf die Bedingungen des technischen Prozesses extrapoliert werden.

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Wasserstoff auf Mg

Molekül und Festkörper-Oberfläche

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VS – Nickelarsenit-Struktur

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VS – Nickelarsenit-Struktur

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Methylradikal auf VS-Oberfläche

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Methylradikal auf VS-Oberfläche

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Prinzip der (heterogenen) Katalyse

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Haber-Bosch-Synthese

The Nobel Prize in Chemistry 2007 Gerhard Ertl Fritz-Haber-Institut Berlin REACTIONS AT SURFACES: FROM ATOMS TO COMPLEXITY

• Mengenverhältnis Stickstoff zu Wasserstoff = 1 : 3 • Druck: 250 bar bis 350 bar • Temperatur: 450 °C (der Zerfall des Ammoniaks und

die Wirksamkeit des Katalysators steigen mit der Temperatur an; hier liegt das Optimum)

• Verwendung von Eisen(II/III)-Oxid Fe3O4 als Katalysator und K2O, CaO, Al2O3 und SiO2 als Promotoren zur Reaktionsbeschleunigung

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Haber-Bosch-Synthese

There is a pronounced influence of the surface structure: The most densely packed (110) surface is least active, while the open (111) plane exhibits the highest sticking coefficient and is indeed also responsible for the overall activity of the industrial catalyst. This activity is further enhanced by the presence of the electronic promoter K which stabilizes the intermediate N2,ad complex and hence increases its dissociation probability

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Man kann Kristallfächen an Nanoteilchen «sehen»

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Scanning tunneling microscope (STM) image from a Pt(111) surface after exposure of a small concentration of O2 molecules at 165 K

STM snapshots from O atoms adsorbed on a Ru(001) surface at T = 300 K [18]. a) very small coverage. b) higher coverage.

«Sehen» von Atomen & Molekülen auf Kristallfächen

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Haber-Bosch-Synthese

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Haber-Bosch-Synthese

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CO-Oxydation auf Platin

Spiral patterns

Target patterns

Platinum surface imaged by photoemission electron microscopy. Dark areas are rich in CO while light areas are O2 rich.

The Nobel Prize in Chemistry 2007 Gerhard Ertl Fritz-Haber-Institut Berlin, Max-Planck-Gesellschaft REACTIONS AT SURFACES: FROM ATOMS TO COMPLEXITY

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Ein Autoabgaskatalysator bei unterschiedlichen Vergrößerungen. Das große Bild zeigt ein aufgeschnittenes Gehäuse mit dem keramischen Wabenkörper. In der ersten Vergrößerung ist ein rasterelektronen-mikroskopisches Bild zweier Waben zu sehen, deren Innenseite mit dem porösen Washcoat beschichtet ist. Die letzte Vergrößerung zeigt ein Transmissions-elektronenmikroskopisches Bild des Washcoats, in dem die Edelmetall-partikel zu sehen sind (Pfeil).

Autoabgas-Katalysator

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Kontaktverfahren - Schwefelsäureherstellung

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Großtechnische, heterogen katalysierte Prozesse.[21] Prozess Reaktanten und Produkte Katalysator Anmerkung

Schwefelsäureherstellung (Kontaktverfahren) SO2 + O2, SO3 Vanadiumoxid als Nebenprodukt entsteht

H2SO4

Ammoniaksynthese(Haber-Bosch-Verfahren) N2 + H2, NH3 Eisenoxide

auf Aluminiumoxid

erfordert 1 % des weltweiten Energieverbrauchs

Salpetersäureherstellung (Ostwaldverfahren) NH3 + O2, HNO3 Pt-Rh-Netze

die direkte Herstellung aus N2 ist ökonomisch nicht sinnvoll

Wasserstoffgewinnung bei der Dampfreformierung CH4 + H2O, H2 + CO Nickel auf K2O andere Wege aus Wasser

werden intensive untersucht

Ethylenoxidsynthese C2H4 + O2, C2H4O Silber auf Aluminiumoxid, mit vielen Promotoren

nicht für andere Olefine anwendbar

Cyanwasserstoffsynthese (Andrussow-Verfahren) NH3 + O2 + CH4, HCN Pt-Rh

das verwandte Verfahren der Ammonoxidation über-führt Kohlenwasserstoffe in Nitrile

Olefinpolymerisation (Ziegler-Natta-Verfahren) Propylen,Polypropylen TiCl3 auf MgCl2 es existieren viele

Verfahrensvariaten

Desulfurierung von Petroleum (Hydrodesulfurierung)

H2 + R2S, RH + H2S Mo-Co auf Aluminiumoxid

produziert schwefelarme Kohlenwasserstoffe, der Schwefel wird im Claus-Prozess wiedergewonnen

Beispiele für heterogen katalysierte Prozesse

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Weitere Beispiele für heterogen katalysierte Prozesse