Motivation
Der Verlust der katalytischen Aktivität infolge von Vergiftung metallischer Oberflächen mit Schwefel ist in vielen Anwendungsbereichen problematisch. So ist der hohe Schwefelgehalt in Treibstoffen in Schwellenländern bisher ein Hinderungsgrund für die Einführung effizienter Automobilkatalysatoren, welche bei den enormen Umweltproblemen in Ländern wie China sehr wichtig wären. Jedoch auch bei der Konversion von Biomasse in Flüssigbrennstoff und Chemikalien in katalytischen Prozessen, bei der katalytischen Reduktion von höheren Polyaromaten in Dieselkraftstoff und dem Betrieb von oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) [3] ist die Desaktivierung durch Schwefelvergiftung ein Problem.
Projektziel
Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Überprüfung der Hypothese, der zufolge eine Veränderung in der Bandstruktur eines Metall-Katalysators zur Erhöhung der Schwefelresistenz gegenüber dem Reinmaterial führen kann. Dies soll durch Zulegierung eines zweiten Metalls erreicht werden. Die Literaturrecherche ergab zwei besonders interessante Ni-basierte Legierungen, welche hier als Modellsysteme untersucht werden sollen. Dies ist zum einen Ni-Ru, für welches theoretisch eine Veränderung der DOS am Fermi-Niveau und gleichzeitig (ebenfalls theoretisch) eine Beeinflussung der S-Adsorption gezeigt werden konnte. Zum anderen ist dies Ni-Sb, für welches experimentell eine sehr starke Erhöhung der S-Resistenz gezeigt, hierfür jedoch keine mechanistische Erklärung gegeben werden konnte. Für beide Systeme sollen mithilfe von online Charakterisierungsmethoden und den guten Möglichkeiten der Partikelstrukturierung, welche in Aerosolsystemen zur Verfügung stehen, die Effekte von Schwefel auf die katalytischen Eigenschaften untersucht und die Mechanismen der Desaktivierung aufgeklärt werden.
Aus der Zielstellung ergeben sich die folgenden Kernfragen:
- Wie hängt die Adsorption von schwefelhaltigen Modellsubstanzen von der Zusammensetzung legierter Partikeln ab?
- Wie verändert sich die elektronische Struktur legierter Metallpartikeln in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung?
- Wie ändert sich über der Zeit die katalytische Aktivität für eine Testreaktion bei Anwesenheit von Schwefel und als Funktion der Zusammensetzung legierter Partikeln?
Die experimentelle Vorgehensweise zur Beantwortung dieser Fragen lässt sich in drei Schritte einteilen. Zunächst steht die Generierung binärer metallischer Partikeln kontrollierter Größe und Zusammensetzung im Vordergrund. Dies wird mit dem Funkengenerator geschehen. Die auf diese Weise generierten Strukturen werden sorgfältig charakterisiert. Hierzu kommen online Methoden der Aerosoltechnik aber auch offline Verfahren wie Elektronenmikroskopie (TEM), Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenphotoemissions-Spektrometrie (XPS) zum Einsatz. Ein wesentliches online Verfahren wird die Aerosolphotoemissionsspektrometrie (APES) sein, welche Aussagen bezüglich der elektronischen Struktur der Partikeln erlaubt. In einem zweiten Schritt wird die Adsorption von Schwefel an den Partikeln untersucht, hierzu wird ebenfalls die APES eingesetzt. Als weiteres Untersuchungsverfahren wird die temperaturprogrammierte Desorption (TPD) zum Einsatz kommen. Der dritte Schritt des Arbeitsprogramms umfasst die Untersuchung der katalytischen Aktivität der erzeugten Strukturen sowie deren Schwefelresistenz in Abhängigkeit von der Partikelzusammensetzung.