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Chemische Technik II: Katalyse

Chemische Technik II: Katalyse
Typ: Vorlesung (V)
Semester: WS 18/19
Zeit: 18.10.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik


25.10.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

08.11.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

15.11.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

22.11.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

29.11.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

06.12.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

13.12.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

20.12.2018
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

10.01.2019
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

17.01.2019
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

24.01.2019
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

31.01.2019
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik

07.02.2019
09:45 - 11:15 wöchentlich
11.21 Raum 006
11.21 Chemische Technik


Dozent: Prof. Dr. Jan-Dierk Grunwaldt
SWS: 2
LVNr.: 5410

Zusatzinformationen zur Vorlesung CT II: Kinetik und Katalyse

Bemerkungen: Der erste Vorlesungstag ist der 18.10.2018, die Übung beginnt am 22.10.2018.

Eine Vorbesprechung der zum Download bereitgestellten Altklausur wird als Prüfungsvorbereitung nach der Vorlesungszeit stattfinden.

 

Die aktuellen Folien werden nach der VL-Stunde auf dem Server bereitgestellt (Update-Datum wird angegeben). Die zur Verfügung gestellten Unterlagen sind nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt.

1. Einführung (Download, Update 15.10.2019)

1.1. Historische Entwicklung

1.2. Grundbegriffe

1.3. Kinetik chemischer Reaktionen, Katalysatortest

 

2. Struktur und Präparation von Katalysatoren (Download, Update 03.12.2019)

2.1. Makroskopische Struktur

2.2. Mikroskopische Struktur

2.3. Präparationsmethoden

    2.3.1. Präparation von Bulk-Katalysatoren

    2.3.2. Präparation von beschichteten Katalysatoren

    2.3.3. Nachbehandlungsschritte

    2.3.4. Zukünftige Entwicklungen - Rationales Design und in situ Spektroskopie

    2.3.5. Zukünftige Entwicklungen - Robotergesteuerte Synthese

2.4. Exkursion: Zeolith-Synthese

 

3. Elementare Prozesse an der Oberfläche: Adsorption und Desorption (Download, Update 03.12.2019)

3.1. Physisorption und Chemisorption - Energetische Betrachtung

3.2. Struktur der Adsorbatschichten

3.3. Kinetik der Adsorption

   3.3.1. Kinetische Gastheorie

   3.3.2. Adsorptionskinetik

3.4. Kinetik der Desorption

3.5. Adsorptionsgleichgewichte

   3.5.1. Langmuir-Isotherme, nicht-dissoziativ

   3.5.2. Dissoziative Adsorption (Langmuir)

   3.5.3. Kompetitive Adsorption (Langmuir)

   3.5.4. Weitere Adsorptionsisothermen (Tempkin, Freundlich, BET)

 

4. Oberflächenreaktionen und Abgasnachbehandlung (Download, Update 03.12.2019)

4.1. Historische Oberflächenkinetiken (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal)

4.2. Allgemeine Betrachtung eines einfachen Falles: Butenisomerisation

   4.2.1. Oberflächenreaktion geschwindigkeitsbestimmend

   4.2.2. Adsorption bzw. Desorption geschwindigkeitsbestimmend

4.3. Allgemeine Betrachtung einer Reaktion von zwei Reaktanden, Langmuir-Hinshelwood (LH) Mechanismus

   4.3.1. Elementarschritte und Lösungsansätze

   4.3.2. Die vollständige Lösung

   4.3.3. Steady State Näherung

   4.3.4. Annahme von quasi-Gleichgewichten

   4.3.5. Elementarschritte mit ähnlichen Raten

   4.3.6. Weitere Vereinfachungen im Vergleich zur ”Quasi-equilibrium Approximation”

   4.3.7. Reaktionsordnung als Funktion der Gaszusammensetzung

   4.3.8. Scheinbare Aktivierungsenergie als Funktion der Gaszusammensetzung

   4.3.9. Übersicht einer Reihe von Reaktionen zwischen zwei Reaktanden

   4.3.10. Ein Beispiel für Adsorption als limitierenden Elementarschritt

4.4. Einschub: Anwendung in der Abgaskatalyse (Industrielle Katalyse I)

   4.4.1. CO-Oxidation, Elementarschritte (siehe auch Übung)

   4.4.2. Abgase und Abgasreinigungsverfahren

   4.4.3. Dreiwegekatalysator (siehe auch Übung; NO und CO auf metallischen Oberflächen)

   4.4.4. SCR-Katalysator

   4.4.5. NOx-Speicherkatalysator

  4.4.6. Rußoxidation

 

 

5. Charakterisierung  (Download, Update 14.01.2019)

   5.1. Abbildende Methoden für ideale Oberflächen (STM, AFM)

   5.2. Mikroskopische Methoden für Pulverkatalysatoren (TEM, SEM, STEM)

   5.3. Oberflächenanalytische Techniken (XPS, AES, LEIS/ISS, SIMS, EELS)

   5.4. Beugungs- und Streumethoden

   5.5. Röntgenspektroskopische Methoden (XANES, EXAFS, etc.)

   5.6. Schwingungsspektroskopie (IR, Raman)

   5.7. UV-vis Spektroskopie

   5.8. Physisorption (BET), Chemisorption, TPD, TPR

   5.9. Weitere Methoden: NMR, Mössbauer, EPR,....

 

6. Wasserstoffherstellung (Entschwefelung, Reforming, etc.) und in situ/operando Spektroskopie (Download, Update 14.01.2019)

   6.1. Industrielle katalytische Prozesse II: Wasserstoff-und Synthesegas-Produktion

   6.2. Hydrotreating und Entschwefelung (Mechanismus, siehe Übung, WHD von 5.1) - Steam und autothermes Reforming, katalytische partielle Oxidation, Wasser-Gas-Shift-Reaktion, Methanisierung

   6.3. Thermodynamische Aspekte und technische Realisierung

   6.4. Mechanismus der Methanaktivierung - kintische Betrachtungen

   6.5. Kohlenstoffbildung und in situ Transmissionselektronenmikroskpie

   6.6. Wasserstofferzeugung durch partielle Oxidaigton von Methan

   6.7. Allgemein:Charakterisierung unter Reaktionsbedingungen - operando Spektroskopie; Zusatzfolien (download) zur Untersuchung der Oszillationen der CO-Oxidation auf Pt-Katalysatoren

   6.8. Ortsauflösung entlang des Reaktors

 

7. Theorie des Übergangszustandes (TST) und mikrokinetische Modellierung (Download, Update 21.01.2019)

   7.1. Einführung in die Theorie des Übergangszustandes

   7.2. Wrap up: Arrhenius-Gleichung, Statistische Thermodynamik, Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen (empfohlene Literatur zur Vertiefung: P.W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Kapitel 16 und 17)

   7.3. Theorie des Übergangszustandes in homogenen Reaktionen (Eyring-Gleichung)

   7.4. Übersicht bei Reaktionen an Oberflächen

   7.5. Desorption und TST

   7.6. Adsorption von Atomen und Molekülen an Oberflächen

     7.6.1. Indirekte Adsorption und Vergleich mit kinet. Gastheorie

     7.6.2. Direkte Adsorption und Verständnis des Haftkoeffizienten

   7.7. Reaktionen an Oberflächen

 

8. Mikrokinetische Modellierung und Trends in der Katalyse (Download der Folien, 21.01.2019)

 

8.1. Mikrokinetische Modellierung

8.2. Exkurs Industrielle Katalyse III: Ammoniak-Synthese

8.3. Trends in der Katalyse mit Wiederholung (vgl. Kapitel 7): Brönstedt-Evans-Polanyi-Beziehung, Sabatier'sches Prinzip, Volcano Plot, Deskriptoren

8.4. Industrielle Ammoniaksynthese (Katalysator, Optimale Reaktionslinie, Design der Reaktoren)

8.5. Beispiel zum weiteren Selbststudium: Methanisierung (vgl. VL Studt)

 

9. Makrokinetik und Produktdesign in der Katalyse, Oxidationskatalyse  (Folien - Download, Selektivoxidationen Update 05.02.2019)

   9.1. Grundregeln zum Katalysatortest

   9.2. Transporteffekte in Festkörpern

      9.2.1. Effektiver Transportkoeffizient

      9.2.2. Katalysatorwirkungsgrad und Thiele Modul

   9.3. Konzentrationsprofil und Korn (Kugel) und Wirkungsgrad

   9.4. Katalysatorwirkungsgrad in verschiedenen Geometrien

   9.5. Verfälschte Kinetik und Aktivierungsenergie bei starker Porendiffusion

   9.6. Nichtisothermer Fall

   9.7. Praktische Konsequenzen für das Katalysatordesign

   9.8. Exkurs Schwefelsäurekatalysatoren: Beispiel für Produktdesign in der Katalyse

   9.9. Übersicht zu weiteren Beispielen für Oxidationsreaktionen: Ethylen-Epoxidation, selektive Propen-Oxidation, Butan zu Maleinsäureanhydrid, etc.

 

10. Großtechnische Prozesse: Von der Nanostruktur bis zur Anwendung (Download, Update 05.02.2019)

   10.1. Methanol-Synthese

   10.2. Fischer-Tropsch Synthese (nur kurz)

 

11. Erneuerbare Energien und Biomassekonversion (Download, Update 08.02.2019)
 

Weiterführende Vorlesungen:

Moderne Charakterisierungsmethoden für Materialien und Katalysatoren (Grunwaldt, Lichtenberg) - Link 

Aktuelle Konzepte in heterogenkatalytischen industriellen Prozessen (Grunwaldt, Casapu, Kleist, Gäste aus Industrieunternehmen) - Link 

Katalyse für nachhaltige chemische Produkte und Energieträger (Grunwaldt, Kleist, Gäste aus Industrieunternehmen) - Link 

Spektroskopie und Beugungsmethoden am Synchrotron (Grunwaldt, Lichtenberg, Doronkin, Gäste aus anderen Universitäten und Synchrotronstrahlungsquellen) - Link 

Technologies and Resources for Renewable Energy: From Wind and Solar Power to Chemical Energy Storage (Grunwaldt, Kiener) - Link

Modellierung und Simulation chemischer Reaktoren (Deutschmann, Tischer)

 

Übungen

 

1. Aufgabenset JDG - 1

 Aufgaben

 Lösungen

2/3. Aufgabenset JDG - 2/3

 Aufgaben

 Lösungen

4. Aufgabenset JDG - 4

 Aufgaben

 Lösungen

5. Aufgabenset JDG - 5

 Aufgaben

 Lösungen

6. Aufgabenset JDG - 6

 Aufgaben

 Lösungen

7. Aufgabenset JDG - 7

 Aufgaben

 Lösungen

8. Aufgabenset JDG - 8

 Aufgaben

 Lösungen

9. Aufgabenset JDG - 9

 Aufgaben

 Lösungen

10. Aufgabenset JDG - 10 (Optional)

 Aufgaben

 Lösungen

Die obenstehenden Aufgaben werden in der "Übung für CTI und Katalyse" besprochen.

Download einer älteren Klausur (45 min).

 

Anhang: Kapitel 7 und 8 des WS 2015/2016, Kapitel 7 des WS 2016/2017

7. Theorie des Übergangszustandes (TST) und mikrokinetische Modellierung (download der alten Folien)

   7.1. Einführung in die Theorie des Übergangszustandes

   7.2. Wrap up: Arrhenius-Gleichung, Statistische Thermodynamik, Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen (empfohlene Literatur zur Vertiefung: P.W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Kapitel 16 und 17)

   7.3. Theorie des Übergangszustandes in homogenen Reaktionen (Eyring-Gleichung)

   7.4. Übersicht bei Reaktionen an Oberflächen

   7.5. Desorption und TST

   7.6. Adsorption von Atomen und Molekülen an Oberflächen

     7.6.1. Indirekte Adsorption und Vergleich mit kinet. Gastheorie

     7.6.2. Direkte Adsorption und Verständnis des Haftkoeffizienten

   7.7. Reaktionen an Oberflächen

 

8. Mikrokinetische Modellierung und Trends in der Katalyse (Folien - download)

  8.1. Mikrokinetische Modellierung

8.2. Exkurs Industrielle Katalyse III: Ammoniak-Synthese (Katalysator, Optimale Reaktionslinie, Design der Reaktoren)

  8.3. Industrielle Ammoniaksynthese

8.4. DFT-Berechnungen

8.5. Trends in der Katalyse:

            - Brönstedt-Evans-Polanyi-Beziehung

            - Sabatier's Prinzip

            - Volcano Plot, Deskriptoren

            - Beispiel: Ammoniaksynthese, Methanisierung

 

7. Computational Catalysis, Theorie des Übergangszustandes (TST) und mikrokinetische Modellierung 

   7.1. Gastvorlesung "Computational Catalysis" (Prof. Felix Studt, download der Präsentation,  11.01.2017)

   7.2. Grundbegrifffe und physikalisch-chemischen Grundlagen (Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen; empfohlene Literatur zur Vertiefung: P.W. Atkins, Physikalische Chemie, Wiley-VCH, Kapitel 16 und 17)

   7.3. Theorie des Übergangszustandes

   7.4. Theorie des Übergangszustandes: Anwendung auf Oberflächen: Desorption, Adsorption  (indirekte/direkte Adsorption, Verständnis des Haftkoeffizienten), Reaktionen an Oberflächen (download des Kapitels,  18.01.2017)