Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - 275496690

Bimetallische Nickel-Katalysatoren

Bearbeitung: Dipl.-Ing. Alex Muntean

Motivation

Bimetallische Nanopartikeln sind aufgrund ihrer vor allem im Bereich der Katalyse interessanten Eigenschaften in den letzten Jahren in den Fokus der Forschung gerückt. Die Zumischung eines weiteren Metalls ermöglicht für viele wirtschaftlich wichtige Prozesse die Aktivität und Selektivität sowie die Langzeitstabilität deutlich zu verbessern. Besonders in der CO2-Reformierung oder der Ethen-Hydrierung werden legierte Nanopartikel als Katalysatoren eingesetzt.

Projektziel

Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der katalytischen Aktivität und der Desaktivierungsresistenz in Abhängigkeit der Nanopartikelzusammensetzung sowie der Nanopartikelgröße. Als repräsentative Testreaktion wurde die Methanisierung von Kohlenmonoxid ausgewählt, welche in vielen technischen Prozessen eine wichtige Rolle spielt, wie beispielsweise in der Fischer-Tropsch-Synthese oder der Ammoniak-Synthese vorgeschaltet zum Schutz des Eisenkatalysators vor Desaktivierung durch CO. Zunächst ist die stabile Herstellung von bimetallischen Nanopartikeln, in diesem Falle verschiedene Nickel-Kupfer- und Nickel-Eisen-Gemische, erforderlich. Die Nanopartikeln sollen hierbei in der Gasphase mittels eines Funkengenerators hergestellt werden. Die Partikelgröße kann durch Variation verschiedener Parameter wie Gasphasenzusammensetzung, Volumenstrom, Stromstärke, etc. gesteuert werden. Die so generierten Nanopartikel sollen mit verschiedenen on- und off-line Methoden hinsichtlich Struktur, Größe und Phasenverteilung charakterisiert werden. Vorteil dieser Gasphasensynthese ist zum einen die Abwesenheit von teuren und meist extrem giftigen Precursorchemikalien, zum anderen die sehr hohe Reinheit der Nanopartikel, was besonders bei der Katalyse von Bedeutung ist. Der Einfluss der Partikelgröße wird dabei gesondert betrachtet, indem Partikeln gleicher Zusammensetzung aber variabler Größe untersucht werden. Durch Einsatz eines Klassierers kann ein nahezu monodisperser Aerosolstrom erzeugt werden, das heißt, alle Partikel im Gasstrom haben annähernd die gleiche Größe. Dies ermöglicht eine noch genauere Untersuchung des Einflusses der Partikelgröße hinsichtlich des Projektziels. Die Variation der Nanopartikelzusammensetzung erfolgt durch den Einsatz verschiedener vorlegierter Elektroden. Diese Elektroden mit verschiedenen Zusammensetzungen sind als homogene Stoffgemische kommerziell erhältlich, also auf molekularer Ebene vermischt und somit einphasig. Idealerweise soll durch Variation der verschiedenen Parameter ein Optimum der katalytischen Aktivität und der Desaktivierungsresistenz gefunden werden.

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Synthese bimetallischer Nanopartikeln einstellbarer Größe mithilfe der Funkenentladung. TEM Aufnahme zeigt beispielhaft Gold-Nanoagglomerate vor und nach der Koaleszenz.
 (c)
a) Zusammenhang zwischen Primärpartikelgröße und Zusammensetzung legierter Ni-Cu-Nanopartikeln bei im Übrigen konstanten Syntheseparametern. b): Mittlerer Kupfergehalt der Legierungspartikeln aus ICP-MS Analyse.
Alex Muntean
Dipl.-Ing.

Alex Muntean

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

PD Dr.-Ing. habil.

Martin Seipenbusch

Gruppenleiter

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