Making nanoporous gold a predictable catalyst: From its reliable catalytic activation to a quantitative assessment of mass transport limitations at the example of CO oxidation

Abstract

Ein grundlegendes Ziel in der heterogenen Katalyse ist die Entwicklung von Katalysatoren, deren Eigenschaften vorhergesagt und synthetisch optimiert werden können. Dabei spielen strukturelle und chemische Gegebenheiten von der atomaren bis hin zur meso- und makroskopischen Ebene eine Rolle, die sich in ihrer Gesamtheit auf klassischen Wegen der Katalysatorherstellung häufig nicht zufriedenstellend kontrollieren lassen. Hier bieten nanotechnologische Methoden Alternativen zu neuen Materialien, wie nanoporösem Gold (npAu), dessen hohes katalytisches Potential für Oxidationen bereits nachgewiesen wurde. Trotz seiner definierten Porenstruktur und chemischen Zusammensetzung verhinderten zwei Aspekte jedoch bislang Aussagen zu Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, auf deren Basis die Leistungsfähigkeit von npAu umfassend hätte vorausgesagt werden können. Einerseits war unklar, wie sich reproduzierbar ein Oberflächenzustand mit höchstmöglicher katalytischer Aktivität erreichen lässt. Andererseits fehlten Informationen über die Stofftransporteigenschaften des Materials. Am Beispiel der Oxidation von CO konnten beide Fragen in dieser Arbeit erfolgreich geklärt werden. Im ersten Fall erwiesen sich Zyklen, in denen die Katalysatoren vor der Anwendung kurz auf hohe Temperaturen gebracht wurden, als exzellente Aktivierungsmethode, um strukturell identische Proben verlässlich auf dasselbe Umsatzniveau zu bringen. Um den Stofftransport in dem Material quantitativ beschreiben zu können, wurden in Zusammenarbeit mit Prof. Vasenkov in Gainesville (USA) PFG NMR Messungen durchgeführt und die Diffusion von CO und CO2 außerhalb und innerhalb von npAu untersucht. Hierbei handelte es sich um die ersten erfolgreichen Experimente mit einem metallischen porösen Material, auf deren Basis die Tortuosität des Porensystems als für die quantitative Beschreibung des Stofftransportes wichtige Größe bestimmt werden konnte. Damit ließ sich im Folgenden die mikrokinetische Geschwindigkeitskonstante für die von npAu katalysierte CO-Oxidation bei 30 °C zum ersten Mal exakt bestimmen und Maßnahmen zur Minimierung von Stofftransportlimitierungen voraussagen.