Etablierung einer multi-in situ-Apparatur zur spektroskopischen Untersuchung der CO-Oxidation über Au/CeO2-Nanokatalysatoren

Heterogene Katalysatoren basierend auf Au-Nanopartikeln rucken, beispielsweise fur die CO-Oxidation, immer starker in den Fokus. Vor allem Au/CeO2-Nanokatalysatoren zeigen bereits bei Zimmertemperatur sehr hohe katalytische Aktivitaten. Es wurde beobachtet, dass hierfur insbesondere die Defektdynamik des CeO2-Tragers von Bedeutung ist, auch wenn der Mechanismus fur die CO-Oxidation insgesamt kontrovers diskutiert wird. Um weitere mechanistische Einblicke in die CO-Oxidation uber Au/CeO2-Nanokatalysatoren zu erhalten, wurde eine multi-in situ-Apparatur zur spektroskopischen Untersuchung dieser Katalysatoren aufgebaut und charakterisiert. Hierfur wurde zur Identifikation der viel diskutierten Defektzustande des CeO2-Tragers eine Kopplung aus Raman-, UV-Vis- und Rontgen-Photoelektronen-Spektrometer (XPS) verwendet. Daruber hinaus wurde zur direkten Analyse von dynamischen Struktur-Aktivitats-Beziehungen der Aufbau mit einer online-Produktkontrolle in Form eines Gasphasen-FTIR-Spektrometers gekoppelt. Mit der entworfenen multi-in situ-Apparatur wurden primar eine wechselnde (1) Ar/O2- – (2) Ar/CO/O2- – (3) Ar/O2- – (4) Ar/CO/O2- – (5) Ar/O2-Behandlung sowie eine alternierende (1) Ar/O2- – (2) Ar/CO- – (3) Ar/O2- – (4) Ar/CO- – (5) Ar/O2-Behandlung untersucht. Als Katalysatoren wurden mit 0,1, 0,5 und 2,0 wt-% Gold beladene, zu Pellets verdichtete Au/CeO2-Proben mit einer BET-Oberflache von ca. 55 m2/g verwendet, die zuvor mittels deposition precipitation hergestellt wurden. Uber Transmissionselektronenmikroskop-Untersuchungen (TEM) wurden sowohl Au-Partikel im atomaren Bereich als auch mit bis zu 3 nm Durchmesser identifiziert. Diese waren auf CeO2-Partikeln mit 8 – 15 nm Durchmesser aufgebracht. Die multi-in situ-Untersuchungen mit online-Produktkontrolle wiesen einen deutlichen Aktivierungsprozess infolge der ersten Ar/CO/O2-Behandlung auf. Hieruber wurde zum ersten Mal eine direkte Korrelation zwischen Peroxid-Spezies an Oberflachendefekten und einer Aktivitat fur die CO-Oxidation spektroskopisch nachgewiesen. Daruber hinaus wurde, neben einem O2-abhangigen Signal bei 395 nm, eine sequentielle Bildung bisher unbekannter elektronischer Zustande mittels UV-Vis-Banden bei 435 und 470 nm identifiziert. Die Untersuchung der Ar/CO-Behandlung wies in den Raman-Untersuchungen zwei bisher unbeobachtete Peroxid-Spezies bei 790 und 750 cm-1 auf. Diese wurden aufgrund ihres Verhaltens unter wechselnden Gaszusammensetzungen Peroxid-Adsorbaten an hoher aggregierten Oberflachen- und Festkorperdefekten zugeordnet. Unter Miteinbeziehung weiterer Festkorperdefektbanden wurde sowohl fur die Ar/CO/O2- als auch fur die Ar/CO-Behandlung die Defektdynamik des CeO2-Trager in Abhangigkeit von der Gasphase ausfuhrlich untersucht und zusammengefasst. Zuletzt wurde anhand der erhaltenen Ergebnisse ein mit der Literatur im Einklang stehender Mars-van Krevelen-artiger Mechanismus fur die CO-Oxidation uber Au/CeO2-Nanokatalysatoren postuliert. Daruber hinaus wurde erstmals ein Mechanismus fur die anfangliche Aktivierung dieser Katalysatoren, basierend auf umfangreichen experimentellen Daten, entworfen.