Selectivity in hydrocarbon conversions and methanol decomposition on a Pd/Fe 3 O 4 model catalyst
Creators: name: Brandt, Bjoern
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2008
Subjects: subject: Molekularstrahl
subject: Katalyse
subject: Kohlenwasserstoffe
subject: Methanol
subject: molecular beam
subject: catalysis
subject: hydrocarbons
subject: methanol
subject: 540 Chemie
subject: 30 Chemie

description: Selektivität zu erreichen ist eines der Hauptziele der Chemie. In der Katalyse wird allgemein von einem engen Zusammenhang zwischen der Selektivität und der Katalysatorstruktur ausgegangen - allerdings erschwert die komplexe mikroskopische Struktur realer Katalysatoren ein tiefergehendes Verständnis; daher wird versucht, weitergehende Erkenntnisse an strukturell vereinfachten Materialien zu gewinnen. Für diese Arbeit wurde hierzu ein Pd/Fe3O4-Modellkatalysator verwendet. Auf diesem System wurde die Selektivität in zwei katalytische Modellreaktionen untersucht. Die Reaktantenexposition erfolgte dabei über Molekularstrahlen im Hochvakuum, und die Reaktionsraten wurden massenspektrometrisch gemessen; Adsorbate wurden IR-spektroskopisch detektiert. - Zersetzung von Methanol: Es wird gezeigt, dass Methanol auf dem Oxid Fe3O4 sehr selektiv durch Reaktion mit Oberflächensauerstoff (Mars-van-Krevelen-Mechanismus) zu Formaldehyd und Wasser dehydrogeniert wird. Auf Pd-Metall zersetzt sich Methanol im wesentlichen sehr schnell zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (bzw. zu Kohlenstoffablagerungen in einer Nebenreaktion). Es werden Experimente gezeigt, die darauf hindeuten, dass Diffusion von oxidgebundenem Methanol/Methoxy auf die Pd-Metallpartikel signifikant zur Gesamtaktivität des Modellkatalysators beiträgt. - Umsetzung von 2-Buten mit Deuterium: Zunächst wird gezeigt, dass die Erzielung katalytischer Aktivität kritisch von der dissoziativen Adsorption des Reaktanden Deuterium abhängt, die durch Kohlenwasserstoffadsorbate stark inhibiert wird; es war allerdings möglich, diese Limitierung experimentell zu umgehen. Darüberhinaus wird gezeigt, dass die Hydrierungsreaktion durch die Anwesenheit stark zersetzter Kohlenwasserstoffablagerungen selektiv induziert werden kann, während die alternative Reaktion (H/D-Austausch/Isomerisierung) auch in Abwesenheit dieser Spezies abläuft; mögliche Erklärungsmodelle werden diskutiert. Schließlich wird die mögliche Ursache für die unter bestimmten Reaktionsbedingungen beobachteten unterschiedlichen Reaktionsraten mit cis- und trans-2-Buten als Reaktanten diskutiert.
description: The achievement of selectivity is one of the main objectives in chemistry. For catalysis, selectivity is generally seen to be closely linked with catalyst structure; the complex microscopic structure of real catalysts, however, obstructs to obtain a deeper understanding; for this reason, structurally simplified materials are studied. For the current work, studies have been conducted on a Pd/Fe3O4 model catayst. On this system, the selectivity in two catalytic reactions has been examined. The exposure of the reactants was effected by molecular beams in high vacuum, and the reaction rates have been measured mass spectrometrically; additionally, adsorbates were detected by IR-spectroscopy. - Decomposition of Methanol: It is shown that on the oxide Fe3O4 methanol is dehydrogenated very selectively to formaldehyde and water by reaction with surface oxygen of the oxide (Mars-van-Krevelen mechanism). On Pd metal it is mainly decomposed very quickly to carbon monoxide and hydrogen (and, in a side reaction, to carbonaceous deposits). Experiments are shown indicating that the diffusion of oxide-related methanol and methoxy to the Pd metal-particles contributes significantly to the overall activity of the model catalyst. - Conversion of 2-Butene with Deuterium: At first it is shown that the catalytic activity depends critically on the dissociative adsorption of the reactant deuterium, which is strongly inhibited by hydrocarbon adsorbates; it was, however, possible to overcome this limitation experimentally. In addition, it is shown that the hydrogenation reaction can be selectively induced in the presence of strongly dehydrogenated carbonaceous deposits, whereas the alternative reaction (H/D-exchange/isomerisation) can proceed also without the presence of those species; possible models for explanation are discussed. Finally, the possible origin of the different reaction rates with cis- and trans-2-butene that were observed only under certain reaction conditions is discussed.