Projekt A7 - Katalyse
Katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid mit kaliumdotierten Mangandioxid-Nanopartikeln, die durch Sprühtrocknung synthetisiert wurden

Eines der Hauptziele des SFB 1316 ist die Untersuchung und das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen einem nichtthermischen Plasma und heterogenen Katalysatoren. Die ersten Ergebnisse des Projekts A7, die die thermokatalytische Oxidation von CO über MnO₂-Katalysatoren beschreiben, wurden kürzlich in Emission Control Science and Technology veröffentlicht. Insbesondere wurde die Wirkung der eingebauten Alkaliionen K⁺ und Na⁺ auf die strukturellen Eigenschaften und die katalytische Leistung hervorgehoben, um Struktur-Aktivitäts-Korrelationen abzuleiten.

Die MnO₂-Katalysatoren wurden durch ein halbkontinuierliches Sprühtrocknungsverfahren auf der Grundlage der Komproportionierungsreaktion von Mn(NO₃)₂ und KMnO₄ synthetisiert. Die Lösungen beider Verbindungen wurden in einem Mikromischer kontinuierlich gemischt und die entstehende Suspension wurde durch Sprühtrocknung schnell abgeschreckt, um weiteres Partikelwachstum zu verhindern. Um die K⁺-Ionen durch Na⁺-Ionen auszutauschen, wurde bei der Synthese NaMnO₄ anstelle von KMnO₄ verwendet. Nach dem Waschen und Trocknen der Katalysatoren erhielt man ein feines braunes Pulver, das wie vorbereitet verwendet oder bei 450°C oder 500°C für 4 Stunden in synthetischer Luft kalziniert wurde.

Wie die XPS-Ergebnisse und TPO-Profile zeigen, ist Mn (IV) die vorherrschende Oxidationsstufe aller Proben vor der Kalzinierung, was beweist, dass alle Katalysatoren aus MnO₂ bestehen. Die XRD-Muster der nicht kalzinierten Katalysatoren zeigen jedoch eine röntgenamorphe Struktur, die eine genauere Phasenidentifizierung verhindert. Nach der Kalzinierung hängt die Phasenstruktur stark von der Art und Menge des eingebauten Alkaliions ab. Die Anwesenheit von K⁺ fördert die Bildung von kristallinem α-MnO₂ und stabilisiert dessen Tunnelstruktur bis zu Temperaturen von 500°C. Geringere Mengen an K⁺ oder der Austausch mit Na⁺ führen zu weniger kristallinen Phasen nach der Kalzinierung bei 450°C und zur Bildung von kristallinem α-Mn₂O₃ nach der Kalzinierung bei 500°C.

Die katalytische CO-Oxidation wurde in einem Mikroreaktor durchgeführt, der mit einem nicht-dispersiven IR-Detektor ausgestattet war. Alle nicht kalzinierten Katalysatoren zeigten eine ähnliche katalytische Leistung, unabhängig von der Art oder Menge des eingebauten Alkaliions. Obwohl die spezifische Oberfläche des Katalysators während der Kalzinierung von 77 m²/g auf 37 m²/g abnahm, wies die reine alpha-MnO₂-Phase eine überlegene katalytische Aktivität auf. Bei α-MnO₂ wurde die Temperatur, bei der eine vollständige Umwandlung erreicht wurde, um mehr als 100 °C in Richtung niedrigerer Temperaturen verschoben. Im Gegensatz dazu zeigen die Katalysatoren, die alpha-Mn₂O₃ enthalten, eine ähnliche katalytische Aktivität wie die nicht kalzinierten Katalysatoren, was darauf hindeutet, dass nicht nur der höhere Kristallinitätsgrad, sondern auch die strukturellen Eigenschaften von α-MnO₂ seine hohe katalytische Aktivität verursachen. Der Einbau von K⁺-Ionen ist erforderlich, um die Tunnelstruktur von α-MnO₂ zu stabilisieren.