Temperaturprogrammierte Reaktionen zur Katalysatorcharakterisierung

Messgeräte

AUTOSORB-iQ-C/TCD
CHEMBET PULSAR
CHEMBET TPD/TPR

Temperaturprogrammierte Reaktionen

Zur Texturcharakterisierung von Katalysatoren stehen die Methoden Physisorption und Chemisorption sowie die Analyse temperaturprogrammierter Reaktionen zur Verfügung. Nichtisotherme Messungen erfolgen meist durch lineares Aufheizen einer Probe und der kontinuierlichen Erfassung der Änderung der Gaszusammensetzung. Das temperaturprogrammierte Arbeiten kann außer der Desorption (TPD), auch die Reduktion (TPR), Oxidation (TPO) oder andere, für die Katalysatorcharakterisierung relevante Reaktionen, umfassen.

Messmethode

Für die Durchführung temperaturprogrammierter Reaktionen zur Katalysatorcharakterisierung wird die Probe in-situ vorbereitet. Hierzu werden sogenannte Makros definiert, so dass die Vorbereitungsprozeduren vollautomatisch abgearbeitet werden. Die weitere Vorgehensweise ist aufgabenabhängig: Bei der TPD wird erst ein Adsorptiv auf der Probe adsorbiert (z.B. durch Puls-Chemisorption), um dann den temperaturabhängige Desorptionsprozess zu charakterisieren. Eine TPR erfolgt mit einem Reduktionsgas, meist H₂, eine TPO mit einem Oxidationsgas, bevorzugt O₂.

Die Messungen erfolgen im Gasstrom, wobei Änderungen der Gaszusammensetzung durch einen Wärmeleitfähigkeitsdetektor erfasst werden. Es ist also bei der Planung eines Experiments darauf zu achten, dass durch eine Reaktion nicht nur die Gaszusammensetzung, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit des Gasstroms durch ad- oder desorbierte Moleküle verändert wird. Prinzipiell lassen sich die Gase und Dämpfe in zwei, hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeiten, deutlich unterscheidbare Gruppen einteilen:

1. H₂, He
2. CO, CO₂, Ar, NH₃, H₂O, Pyridin u.a.

Aus dieser Einteilung lassen sich die Experimente einfach herleiten, denn an einer zu untersuchenden Reaktion muss immer ein Gas/Dampf aus jeder der beiden Gruppen beteiligt sein. Die Messungen können mit einem CHEMBET (Abb. links) oder der TCD-Option des AUTOSORB-IQ-C (Abb. rechts) erfolgen.

Vorteile

Die Vorteile der temperaturprogrammierten Reaktionen bestehen in der Möglichkeit, nicht nur die aktive Oberfläche aus Chemisorptionsisothermen zu bestimmen, sondern aus der Temperaturabhängigkeit auf unterschiedlich starke, katalytisch aktive Zentren zu schließen.

Beispiel

1. TPR mit Wasserstoff (Gruppe 1) erfordert ein Trägergas aus Gruppe 2, z.B. Argon.
2. TPD von NH₃ (Gruppe 2) erfordert ein Trägergas aus Gruppe 1, bevorzugt Helium.
3. TPO mit Sauerstoff (Gruppe 2) erfordert ein Trägergas aus Gruppe 1, also Helium.

Diese Vorgehensweise gilt auch für Chemisorptionsmessungen nach dem dynamischen (Flow-) Prinzip mit dem CHEMBET, z.B.

4. N₂O-Chemisorption (Gruppe 2) erfordert ein Trägergas aus Gruppe 1, also Helium.
5. H₂-Chemisorption (Gruppe 1) erfordert ein Trägergas aus Gruppe 2.

Literatur

DIN 66136