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Zusatzinformationen zur Vorlesung CT II: Kinetik und Katalyse

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

1. Einführung (Download, Update 25.10.2016)

1.1. Historische Entwicklung

1.2. Grundbegriffe

1.3. Kinetik chemischer Reaktionen, Katalysatortest

 

2. Struktur und Präparation von Katalysatoren (Download der Folien)

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 der Folien)

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 (update 28.11.2016 Download der Folien)

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  (update19.12.2016, Folien - download)

   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 (update 09.01.2017, Folien - download)

   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. 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)

 

8. Mikrokinetische Modellierung und Trends in der Katalyse (Download der Folien, 18.01.2017)

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)

   7.1. Grundregeln zum Katalysatortest

   7.2. Transporteffekte in Festkörpern

      7.2.1. Effektiver Transportkoeffizient

      7.2.2. Katalysatorwirkungsgrad und Thiele Modul

   7.3. Konzentrationsprofil und Korn (Kugel) und Wirkungsgrad

   7.4. Katalysatorwirkungsgrad in verschiedenen Geometrien

   7.5. Verfälschte Kinetik und Aktivierungsenergie bei starker Porendiffusion

   7.6. Nichtisothermer Fall

   7.7. Praktische Konsequenzen für das Katalysatordesign

   7.8. Exkurs Schwefelsäurekatalysatoren: Beispiel für Produktdesign in der Katalyse

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

 

10. Großtechnische Prozesse: Von der Nanostruktur bis zur Anwendung (Folien - download, aktualisiert 10.02.2017)

   10.1. Methanol-Synthese

   10.2. Fischer-Tropsch Synthese (nur kurz)
 

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 (19.10.2016)

 Aufgaben

 Lösungen (Update 22.11.2016)

2/3. Aufgabenset JDG - 2/3 (26.10.2016)

 Aufgaben

 Lösungen (Update 22.11.2016)

4. Aufgabenset JDG - 4 (16.11.2016)

 Aufgaben

 Lösungen

5. Aufgabenset JDG - 5 (23.11.2016)

 Aufgaben

 Lösungen

6. Aufgabenset JDG - 6 (30.11.2016)

 Aufgaben

 Lösungen

7. Aufgabenset JDG - 7 (07.12.2016 und 14.12.2016)

 Aufgaben

 Lösungen

8. Aufgabenset JDG - 8 (17.01.2017)

 Aufgaben

 Lösungen

9. Aufgabenset JDG - 9 (24.01.2017)

 Aufgaben

 Lösungen

10. Aufgabenset JDG - 10 (Optional)

 Aufgaben

 Lösungen

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

Downoad einer älteren Klausur (45 min).

 

Anhang: Kapitel 7 und 8 des WS 2015/2016

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