Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung an der RWTH Aachen

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Warum sind im XPS für einen Gold Hollow Sphere Katalysator (AuNP eingeschlossen in poröser Metalloxidhülle) keine Signale des Metalls sichtbar?

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Was versteht man bei Metallträgerkatalysatoren unter Struktursensitivität?

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Nennen Sie 3 Methoden, um die mittlere Metallpartikelgröße geträgerter Metallpartikel von Metallträgerkatalysatoren zu bestimmen.

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Warum werden für die Methanisierung von CO oder CO2 insbesondere bimetallische Eisen-Nickel-Katalysatoren untersucht?

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Erläutern Sie das Prinzip von Sabatier als Grundlage der typischen Vulkankurven (Vulcano plot) in der Katalyse.

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Benennen und erläutern Sie die drei wesentlichen Anwendungsformen organischer
Gerüstverbindungen in der Heterogenen Katalyse.

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Kovalente Triazin-basierte Netzwerke (CTFs) zeichnen sich durch drei wesentliche Eigenschaften besonders für katalytische Anwendungen aus. Benennen und Erläutern Sie diese.

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PIMs lassen sich zudem sehr gut (reversibel) prozessieren. Erläutern Sie eine Anwendung, wo ihnen diese Eigenschaft zugutekommt.

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3. Polymere Intrinsischer Mikroporosität (PIMs) sind lineare Polymerverbindungen, die trotz ihres linearen Aufbaus im getrockneten Zustand Porosität aufweisen. Erläutern Sie, wie es dazu kommt.

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2. Bennen Sie drei Anwendungsgebiete organischer Gerüstverbindungen, sowie die für die Anwendung relevanten Eigenschaften.

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8. Warum kann in einer Gasflasche (V, p, T = konstant) mehr Wasserstoff gespeichert werden, wenn diese mit MOF-Partikeln gefüllt ist, als in einer ungefüllten Flasche?

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7. Benennen Sie drei besondere Eigenschaften von MOFs und jeweils ein aus dieser Eigenschaft resultierendes Anwendungsfeld.

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Beispielhafte Karteikarten für Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung an der RWTH Aachen auf StudySmarter:

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Warum sind im XPS für einen Gold Hollow Sphere Katalysator (AuNP eingeschlossen in poröser Metalloxidhülle) keine Signale des Metalls sichtbar?

Die Eindringtiefe der Röntgenstrahlen reicht nicht aus, um das Gold im Inneren der Hohlkugel zu erreichen, bzw. die austretenden Elektronen können das Material nicht verlassen. Es wird kein Signal detektiert

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Was versteht man bei Metallträgerkatalysatoren unter Struktursensitivität?

Die Metallpartikelgröße beeinflusst die katalytische Aktivität pro Oberflächenmetallatom, da z.B. Ecken-, Kanten- oder Flächenatome eine unterschiedliche Aktivität aufweisen und sich ihr relative Verhältnis mit der Partikelgröße ändert.

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Nennen Sie 3 Methoden, um die mittlere Metallpartikelgröße geträgerter Metallpartikel von Metallträgerkatalysatoren zu bestimmen.
  • XRD durch die Scherrergleichung mittels der Halbwertsbreite
  • Chemisorption zur Titration der Metalloberfläche in Kombination mit einer Elementaranalyse
  • TEM oder SEM
  • XANES zur Bestimmung der mittlerern Koordinationszahl jedes Metallatoms

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Warum werden für die Methanisierung von CO oder CO2 insbesondere bimetallische Eisen-Nickel-Katalysatoren untersucht?

Beide Metalle liegen jeweils mit ihren Adsorptionseigenschaften rechts und links vom Maximum in der Vulkankurve für diese Reaktion. Es wird angenommen, dass für ideale Legierungen eine Kombination der Metalleigenschaften erzielt werden kann.

Dadurch könnten teure Edelmetalle durch bimetallischen Katalysatoren mit ähnlicher Aktivität ersetzt werden.

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Erläutern Sie das Prinzip von Sabatier als Grundlage der typischen Vulkankurven (Vulcano plot) in der Katalyse.

Entsprechend des Prinzips von Sabatier muss die Wechselwirkung des Substrates mit der Oberfläche nicht zu stark und nicht zu schwach sein. Aufgetragen wird beispielsweise die Reaktionsrate (Y-Achse) gegen die Adsorptionsenthalpie. Es ergibt sich ein Maximum für mittlere Adsorptionsenthalpien.

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Benennen und erläutern Sie die drei wesentlichen Anwendungsformen organischer
Gerüstverbindungen in der Heterogenen Katalyse.
  • Metallfreie Organokatalyse: Strukturelemente der ausgebildeten Gerüstverbindung sind bereits katalytisch aktiv
  • Als Trägermaterialien für Metall-Nanopartikel oder Cluster, welche durch Funktionen der Gerüstverbindung stabilisiert werden
  • Immobilisierte Molekulare Katalysatoren, welche durch Funktionen (z.B. Bipyridin oder Phosphin) koordiniert vorliegen und Eigenschaften homogener Katalysatoren aufweisen (erhöhte Selektivität & Aktivität)

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

Kovalente Triazin-basierte Netzwerke (CTFs) zeichnen sich durch drei wesentliche Eigenschaften besonders für katalytische Anwendungen aus. Benennen und Erläutern Sie diese.
  • thermisch und chemisch (im vgl. zu anderen Polymeren) sehr stabil (T(Zersetzung)>400°C)
  • anhand des Monomers einstellbare strukturelle Eigenschaften, z.B. Porosität und spez. Oberfläche
  • großer Anteil an Heteroatomen (N, aber auch S oder O) zur Stabilisierung von Metallionen und Nanopartikeln/ Clustern
  • Halbleitereigenschaften (für Elektro-/Photokatalystische Anwendungen)

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

PIMs lassen sich zudem sehr gut (reversibel) prozessieren. Erläutern Sie eine Anwendung, wo ihnen diese Eigenschaft zugutekommt.

Membranen zur Aufreinigung (z.B. von Gasen) lassen sich reversibel gießen und somit im Idealfall regenerieren.

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

3. Polymere Intrinsischer Mikroporosität (PIMs) sind lineare Polymerverbindungen, die trotz ihres linearen Aufbaus im getrockneten Zustand Porosität aufweisen. Erläutern Sie, wie es dazu kommt.

PIMs basieren auf sterisch anspruchsvollen, unflexiblen Monomeren (meist benzylische Komponenten), welche unter Ausbildung von zwei ebenfalls starren C-O-C Bindungen ein verhältnismäßig unflexibles Polymer erzeugen.

Aufgrund dieser starren Bindungen und Bausteine kollabiert das Polymer auch im getrockneten Zustand nicht vollständig und Zwischenräume ergeben eine Mikroporosität.

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2. Bennen Sie drei Anwendungsgebiete organischer Gerüstverbindungen, sowie die für die Anwendung relevanten Eigenschaften.
  • Wasser-/Luft-Aufreinigung: superhydrophobe Oberflächen
  • Fluoreszenz: Sensorik
  • Halbleiter-Eigenschaften: Energiespeicher, Photo-/Elektrokatalyse
  • Gas-Speicherung/-Trennung: hohe spezifische Oberflächen, Porenvolumina

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

8. Warum kann in einer Gasflasche (V, p, T = konstant) mehr Wasserstoff gespeichert werden, wenn diese mit MOF-Partikeln gefüllt ist, als in einer ungefüllten Flasche?

Das Gas adsorbiert an der hohen Oberfläche des MOF. Im adsorbierten Zustand besitzt das Gas eine deutlich höhere Dichte (quasi-kondensierter Zustand) als im gasförmigen Zusatnd in einer ungefüllten Gasflasche.

Nanostrukturierte Katalysatoren Herstellung, Charakterisierung, Anwendung

7. Benennen Sie drei besondere Eigenschaften von MOFs und jeweils ein aus dieser Eigenschaft resultierendes Anwendungsfeld.
  • Porosität und spezifische Oberfläche: Gasspeicherung/-Seperaration, Aufreinigung
  • Einstellbare (definierte) Porengröße: Gastrennung (Größenselektivität)
  • Aktive Komponente als Konnektor, oder über Funktion des Linkers (z.B. Bipyridin) gebunden: Katalyse
  • Fluoreszenz: Sensorik
  • Toxikologisch unbedenkliche Komponenten als Linker/ Konnektor: Wirkstoff-Freisetzung

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