Analyse von Katalysatoren - Untersuchung der Oberflächeneigenschaften katalytischer Substanzen

Als Katalysator wird in der Chemie ein Stoff bezeichnet, welcher die Reaktionsgeschwindigkeit durch Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst bei der Reaktion verbraucht zu werden. Katalysatoren ändern somit die Kinetik, nicht die Thermodynamik einer chemischen Reaktion. Aus diesem Grund werden Katalysatoren in vielen Produktionsprozessen der chemischen Industrie eingesetzt, finden sich aber beispielsweise auch in den meisten modernen PKW im Bereich der Abgasreinigung.

Katalyse und inhibitoren (Katalysatorgifte)

Unterschiedliche Substanzen können dabei katalytische Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören beispielsweise Raney-Nickel, Platin, Palladium, Kupfer, Rhodium und andere.
Die Aktivität und Spezifität eines Katalysators wird durch die chemische Zusammensetzung der Oberfläche bestimmt. Durch spezifische Inhibitoren ("Katalysatorgifte", "Antikatalysatoren") kann die Wirksamkeit des Katalysators gehemmt oder sogar vollständig aufgehoben werden. Sehr bekannt ist hier Blei als Katalysatorgift für Fahrzeugkatalysatoren. Andere typische Katalysatorgifte sind Schwermetalle, Halogene, Polymere, Schwefel oder Kohlenstoffmonoxid.

Pt/C Katalysor - REM Abbildung
REM Bild eines Platin-Katalysator auf einem Kohlenstoff-Support. Die hellen Punkte sind die Platin Partikel auf dem Kohlenstoff-Substrat.

Der Nachweis von Katalysatorgiften

Katalysatorgifte werden von der reaktiven Oberfläche des Katalysators statt der Verbindung, deren Reaktion verbessert werden soll, gebunden. Sie behindern so die Adsorptionsfähigkeit der Katalysatoroberfläche. Durch geeignete oberflächenanalytische Verfahren kann der chemische Zustand des Katalysators untersucht werden. Typische Analyseverfahren sind hier beispielswiese die Photoelektronenspektroskopie (XPS), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) oder die Ionenrückstreu-Spektroskopie (LEIS). Diese kommen sowohl bei der Weiterentwicklung von Katalysator-Materialien als auch bei der Fehleranalyse zur Aufklärung der Ausfallursache zum Einsatz.

Katalysator - Trägermaterialien

Oft werden die katalytisch aktiven Verbindungen auf einem speziellen Träger (Support) aufgebracht um eine besonders große, reaktive Oberfläche herzustellen. Dies kann einfach Kohlenstoff (z.B. Aktivkohle oder Ruß) sein wie beispielswiese in Pt/C oder Pd/C Katalysatoren, aber auch Zeolithe kommen zum Einsatz. Die  Verteilung des Metalls auf der Kohlenstoffoberfläche kann beispielsweise mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie (siehe Abbildung) untersucht werden.

Beispiele für Untersuchungen

  • Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche. Insbesondere auch den Oxidationszustand der Metalle (Cu, Pt, ...) an der Produktoberfläche.
  • Den Einfluss der Präparation auf die Katalysator-Leistung
  • Mögliche Ursachen für Katalysator-Alterung und Deaktivierung (Katalysator-Gifte)
  • Charakterisierung von Partikelgrößen
  • Mögliche Einflüsse chemischer und thermischer Behandlungen

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