Entwicklung neuer Katalysatoren für die selektive Propan-Oxidation in Gegenwart von Kohlenstoffmonoxid

Abstract

Die Entwicklung neuer Katalysatoren für die selektive Propan-Oxidation im Überschuss von Kohlenstoffmonoxid (CO) und der Mechanismus dieser Selektivität standen im Mittelpunkt dieser Arbeit. Unter den Sol-Gel-basierten Verbindungen erwies sich Ti50Cr47,5Ce2,5Ox mit 84 % Propan-Umsatz bei 375 °C und 100 % Selektivität als bester Katalysator. Mithilfe der Pulver-Röntgendiffraktometrie konnten die beiden entscheidenden Phasen TiO2 Anatas und Cr2O3 Eskolait identifiziert und die Synthese stark vereinfacht werden. Über nasschemische Imprägnierung von TiO2 Anatas mit Cr(III) sowie über Festphasenreaktion von TiO2 Anatas mit Cr2O3 Eskolait wurden ebenfalls aktive und selektive Katalysatoren hergestellt. Mit Cr(III) imprägnierter TiO2 Rutil zeigte eine Umkehr der Selektivität zugunsten des CO. Weiterhin wurden wichtige Erkenntnisse bezüglich der aktiven Phase gewonnen, die durch Dotierung von TiO2 Anatas mit Cr(III) entstand. Die mechanistischen Aspekte der Selektivität wurden mittels Diffuser Reflexions-Infrarot-Fouriertransformations-Spektroskopie untersucht. Propan wie auch CO bildeten unter sauerstofffreien Bedingungen Intermediate auf der Oberfläche der TiCr-Oxide. In Anwesenheit von molekularem Sauerstoff wurden keine Intermediate des CO beobachtet, wohl aber die des Propans. Damit wurden entscheidende Erkenntnisse zur Selektivität und zum Mechanismus der Propan-Oxidation an den TiCr-Oxiden erlangt, wobei der Gittersauerstoff des Katalysators eine wichtige Rolle spielt.

The development of new catalysts for the selective propane oxidation in excess of carbon monoxide (CO) and the mechanism of this selectivity were objectives of this work. Among the sol-gel derived compounds, Ti50Cr47.5Ce2.5Ox was found to be the best catalyst, which converted 84 % propane at 375 °C with 100 % selectivity. Since powder-diffraction patterns revealed two essential phases TiO2 anatase and Cr2O3 eskolaite the synthesis could by simplified severely. Wet impregnation of TiO2 with Cr(III) and even a simple solid state reaction between TiO2 anatase and Cr2O3 eskolaite provided active and highly selective catalysts. With Cr(III) impregnated TiO2 rutile showed an inversion of the selectivity. Furthermore, crucial findings regarding the active phase were obtained, which arises from doping of TiO2 anatase with Cr(III). Mechanistic aspects of the selectivity were investigated by diffuse reflectance infrared Fourier transformed spectroscopy. In the absence of molecular oxygen, both gases propane and CO formed intermediates at the surface of the TiCr-oxides. In the presence of molecular oxygen no intermediates of CO were observed but still of propane. Thus, essential information were obtained regarding the selectivity and the mechanism of the propane oxidation on TiCr-oxides, in which lattice oxygen of the catalyst plays an important role.