Zusatzinformationen zur Vorlesung CT II: Kinetik und Katalyse

Organisation: AK Grunwaldt (Homepage here)

Vorlesungsdaten: Der erste Vorlesungstag ist Dienstag, der 3. November 2020, die Übung beginnt am 9. November 2020. Ein Teil der Vorlesungen wird live übertragen, ein anderer Teil als vorgefertigtes Video über die On-line Plattform ILIAS zur Verfügung gestellt.

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Kursinhalt

Die auf dieser Seite zur Verfügung gestellten Unterlagen sind nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und die Unterlagen vom letzten Jahr.

1. Einführung (Download, 2019)

1.1. Historische Entwicklung

1.2. Grundbegriffe

1.3. Kinetik chemischer Reaktionen, Katalysatortest

 

2. Struktur und Präparation von Katalysatoren (Download, WS 2019/2020)

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, WS 2019/2020)

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, WS 2019/2020)

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, WS 2019/2020)

   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, WS 2019/2020)

   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, WS 2019/2020)

   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, WS 2019/2020)

 

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 WS 2019/2020)

   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, WS 2019/2020)

   10.1. Methanol-Synthese

   10.2. Fischer-Tropsch Synthese (nur kurz)

 

11. Erneuerbare Energien und Biomassekonversion (Download, WS 2019/2020)

 

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)

Infos zu den Übungen zu CT I und CT II

Die Übungen zu Chemische Technik I (Reaktionstechnik) und II (Katalyse) finden wie folgt statt:

 

CT-I:

Die Übungsaufgaben mit ausführlich dokumentierten Lösungen werden wöchentlich zum Übungstermin (montags 9:45) in ILIAS eingestellt.

Die Termine sind: 9.11; 23.11; 7.12.; 21.12; 18.1.; 1.2.; 15.2.

Die Studenten/-innen sollen die Lösungen selbst nachvollziehen. Auch der in den Übungen vermittelte Stoff kann in der der Prüfung abgefragt werden. Bei Unklarheiten zu den Übungen kann der Dozent jederzeit kontaktiert werden um einen Termin für einen Telefon- oder Video-Kontakt zu vereinbaren. Kontakt: matthias.hettel∂kit.edu (Tel. 0721/608-44269).

 

CT-II:

Die Termine sind: 16.11; 30.11; 14.12.; 11.1.; 25.1.; 8.2.

Die Studenten/-innen sollen die Übungsaufgaben lösen und die Lösungen hochladen.

Zusätzlich finden Besprechungstermine über MSTeams statt.