1. Einführung (Download der Folien, Update 24.10.2013)

1.1. Historische Entwicklung

1.2. Grundbegriffe

1.3. Kinetik chemischer Reaktionen, Katalysatortest

2. Struktur und Präparation von Katalysatoren (Download der Folien, drzt. WS 2012/2013)

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, drzt. WS 2012/2013)

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 (Download der Folien, drzt. WS 2012/2013)

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

   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  (Folien - download, drzt. WS 2012/2013)

   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. Theorie des Übergangszustandes (TST) und mikrokinetische Modellierung  (Folien - download, drzt. WS 2012/2013)

   6.1. Einführung in die Theorie des Übergangszustandes 

   6.2. Wrap up: Arrhenius-Gleichung, Statistische Thermodynamik, Boltzmann-Verteilung, Zustandssummen

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

   6.4. Übersicht bei Reaktionen an Oberflächen

   6.5. Desorption und TST

   6.6. Adsorption von Atomen und Molekülen an Oberflächen

     6.6.1. Indirekte Adsorption und Vergleich mit kinet. Gastheorie

     6.6.2. Direkte Adsorption und Verständnis des Haftkoeffizienten

   6.7. Reaktionen an Oberflächen

   6.8 Mikrokinetik

   6.9. Exkurs in die Ammoniak-Synthese (Katalysator, Optimale Reaktionslinie, Design der Reaktoren)

7. Makrokinetik und Produktdesign in der Katalyse, Oxidationskatalyse  (Folien - download, drzt. WS 2012/2013)

   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.

8. Theorie und Trends in der Katalyse (Folien - download, drzt. WS 2012/2013)

  8.1. Modellierung auf molekularer, mesoskopischer und makroskopischer Ebene

  8.2 . Trends in der Katalyse:

            - Brönstedt-Evans-Polanyi-Beziehung

            - Sabatier's Prinzip

            - Volcano Plot, Deskriptoren

9. Katalysatoren sind dynamisch: In situ Spektroskopie (Folien - download, drzt. WS 2012/2013)

   9.1. Zentrale Bedeutung und Herstellung von Wasserstoff und Synthesegas

   Exkurs: Entschwefelung (Mechanismus, siehe Übung, WHD von 5.1)

   9.2. Mechanismus der Methanaktivierung

   9.3. In situ Transmissionselektronenmikroskpie

   9.4. Allgemein: In situ Charakterisierung unter Reaktionsbedingungen

   9.5. Ortsauflösung entlang des Reaktors

   9.6. Exkurs: Methanol-Synthese
 

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, Carvalho, Doronkin, Gäste von Synchrotronforschungsinstituten) - Link 

Modellierung und Simulation chemischer Reaktoren (Deutschmann, Tischer)

Übungen

1. Aufgabenset JDG - 1 (24.10.2013)

 Aufgaben

 Lösungen

2/3. Aufgabenset JDG - 2/3 (old - 25.10/8.11.2012)

 Aufgaben

 Lösungen

4. Aufgabenset JDG - 4 (old - 15.11. 2012)

 Aufgaben

 Lösungen

5. Aufgabenset JDG - 5 (old - 22.11. 2012)

 Aufgaben

 Lösungen

6. Aufgabenset JDG - 6 (old - 29.11. 2012)

 Aufgaben

 Lösungen

7. Aufgabenset JDG - 7 (old - 06.12./13.12.2012)

 Aufgaben

 Lösungen

8. Aufgabenset JDG - 8 (old - 10.01.2013)

 Aufgaben

 Lösungen

9. Aufgabenset JDG - 9 (old - 21.01.2012)

 Aufgaben

 Lösungen

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

Downoad einer älteren Klausur (45 min).