Transcript Heterogene Katalyse im Alltag

Heterogeneous Catalysis
Thoughts and Insights
Robert Schlögl
Catalysis and Industry
Study of catalysis is key to the ability to
manufacture structural and functional materails
Automotive
Industry
Catalyst
manufacture
Chemical
Industry
Life science
Catalysis
Chemical
Engineering
Power
generation
Dept. AC, Fritz-Haber-Institut(MPG), Berlin
Where do you find catalysts
• Selten im Alltag direkt:
– Autoabgaskatalysator
– Backofenreiniger
(Plastiktüte)
• Manchmal indirekt mit Produkten der chemischen
Industrie
– Dünger
– Styropor
– Treibstoffe
• Meist überhaupt nicht, da die Produkte der
chemischen Industrie die Ausgangsmaterialien
aller anderen Industrien sind.
Catalysis and Technology
• Mit (heterogener) Katalyse werden über 90% aller
Chemikalien hergestellt
• Ohne Chemikalien gibt es keine
–
–
–
–
–
–
Computer, elektronische Produkte
Speichermedien (CD, MC, HDD)
Medikamente
Kunststoffe (und Folgeprodukte)
Farben und Lacke
Life sciences
• Ohne Katalyse gibt es keine Mobilität (Treibstoffe)
Catalysis and Economy
Wirtschaftlich fundamental wichtig:
• 16 %deutschen BSP (100 G€): chemische
Industrie (90% Katalyse) (excl. Petrochemie)
• Weltmarkt Katalysatoren: 10 G€ (D etwa 10%)
• Weltmarkt der damit erzeugten Produkte: 500 G€
• „Strategische“ Technologie, etwa 15 Hersteller
weltweit, einige nur „in-house“
Catalysis and Chemical
Feedstocks
Catalysis: a mature science?
Catalysis and Science
Interdiciplinarity
Physical
Chemsitry
Materials
science
Surface
science
Catalysis
Synthetic
Chemistry
Engineering
Inorganic
Dept. AC, Fritz-Haber-Institut(MPG), Berlin
History of Concept
Berzelius 1920
History of Concept
The active site
Catalysts are:
defective
non-equilibrium states
under kinetic control
(dynamic)
They are not:
well-ordered
static
uniform or homogeneous
Microstructure of Carbon Nanotubes
Temperature
550°C
LHSV
0.5 h-1
Excess of O2
2 times
Time
Before
EB- ODH Reaction
After
20 h
Surface Science and Catalysis
• The single crystal approach:
• well-defined geometrical
• controlled or absent dynamics
• but poorly reactive in complex
reactions (not studied in
surface science)
• The MODEL systems
Eisenoxid-Modellkatalysatorsysteme
FeO(111)
Fe3O4(111)
a-Fe2O3(0001)
Christian Kuhrs, Modellkatalyse, Abt. AC, Fritz-Haber-Institut (MPG), Berlin
KFexOy(111)
Model of a reacting Cu surface:
Relevant and Spectating Components
CO+ H2
CO2+ H2 O
CH3OH
CH3OH
CH3 OH
CH2O+ H2
Subox
Oxsurf
CH2O+ H2O
Cu 0
O+ O
lk
u
Ox b
Ovol
O2
3 oxygencontaining
sites in
addition to
bare Cu metal
were
identified
Sub-surface
atomic oxygen
is further
present
Supported Systems
The special
properties of metal
particles in cataylsis
become now
transparent due to
the „rigorous
particle“ approach
Catalysis: Complexity
multi-dimensional
space-time problem
knowldege of all domains
simultaneously required
for understanding or even
„design“ of a cataylst
A cartoon: How works a catalyst?
Ein Katalysator
enthält eine
geringe Anzahl
von Aktiven
Zentren „active
sites“, welche
eine Reaktion
herbeiführen
können.
The Homogeneous Reaction
Consider the
reaction
2 AB  A2 + B2
Inert
(e.g. NO
decomposition)
The Heterogeneous Reaction
Consider the
reaction
2 AB  A2 + B2
(e.g. NO
decomposition)
The Catalytic Cycle
Active site
Intermediates and transition states (not shown) are
usually not known
Elementary Processes
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Transport von Stoffen und Energie
Adsorption der Edukte auf der Oberfläche
Transport zum aktiven Zentrum
(Dissoziative) Aktivierung der Eduktmoleküle
Zusammentreffen der nötigen Fragmente
Elektronentausch, Bildung der Produkte
Desorption der Produkte
Rückbildung des aktiven Zentrums
Transport von Stoffen und Energie
The active site
Atoms A, B interact
differently with the
catalyst.
Local perturbation of
the catalyst from
bonding of substrate
Range and character
will depend on
nature of substrate
Catalysis: large numbers
Wir glauben, daß sich beobachtbare Mengen
von chemischen Individuen alle gleich
verhalten. Denken Sie an derartige Mengen
menschlicher Individuen !?
– 1 ml Gas enthält etwa 1x1020 Individuen
– 1 cm2 Oberfläche enthält etwa 1x1015 Atome
– Die Weltbevölkerung beträgt etwa 6x109
Individuen
The active
site
The chemical
complexity of
interactions
between atoms
and elemental
substrates can be
substantial and
essential for the
desired function
The archetype MvK idea
J. Haber, 1991
The site isolation concept
A series of ordered defects in MoO3 create
site isolation by „shear defects“ (Mo18O52)
Complexity
Die rote Untereinheit
enthält als aktives
Zentrum ein
Metallatom, der
komplexe Rest dient
der räumlichen und
chemischen Fixierung
des Enzyms und der
Adsorption des
Eduktes.
Trypsin, an enzyme
Even simple reactions may be
„complex“
NO + CO
Structure-Function Relations
The atomic
structure of model
systems transform
ireversibly upon
subjecting the
model to the desired
function
Å
Å
“complexity”
no extrapolations from ideal to real states
no methods to investigate dynamics
no basic understanding of underlying chemistry