High-pressure X-ray photoelectron spectroscopy applied to vanadium phosphorus oxide catalysts under reaction conditions (2005)

Diese Arbeit hat die Verbesserung der Hochdruck-Röntgen-Photoelektronen Spektroskopie (Hochdruck-XPS) und ihre Anwendung zur Untersuchung des industriell wichtigen Vanadium Phosphor Oxid (VPO) -Katalysators zur Oxidation von n-Butan zu Maleinsäureanhydrid (MA) zum Inhalt. Die Konzeption eines neues Instruments für die Hochdruck-XPS wird vorgestellt. Der Einsatz eines differentiellen Pumpsystems kombiniert mit elektrostatischen Linsen zur Fokussierung von Photoelektronen ermöglichte die Aufnahme von XP-Spektren von gasförmigen oder festen Proben in einer Gasatmosphäre mit einem Druck von bis zu 5 mbar in der Probenzelle. Die Auslegung des differentiellen Pumpsystems basierte auf Berechnungen die für moleluare und für viskose Gasströmungen durchgeführt wurden. Die elektrostatischen Linsen wurden mit Hilfe von numerischen Modellen dimensioniert. Details der Berechnungen werden vorgestellt. Hochdruck-XPS Messungen wurden an VPO-Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen, bei gleichzeitiger Messung der katalytischen Aktivität mittels Massenspektrometrie (d.h. in situ) durchgeführt. Zwei unterschiedlich hergestellte VPO-Proben wurden in einer Reaktionsgasmischung bei einem Druck von 2 mbar und verschiedenen Temperaturen untersucht. Beide Proben produzierten MA bei einer Reaktionstemperatur von 400°C und hatten während des Experimentes eine vergleichbare katalytische Aktivität normalisiert auf die Oberfläche. XP-Spektren, mit den Photonen-Energien entsprechend einer Eindringtiefe von 1.0 und 1.8 nm, wurden gemessen. Eine Probe zeigte keine Veränderungen in der Oxidationsstufe des Vanadiums als Funktion der Reaktionbedingungen und die Oxidationsstufe war homogen mit Tiefe. Die andere Probe zeigte ausgeprägte Veränderungen der Oxidationsstufe. Diese Probe war inhomogen sowohl bei niedriger Temperatur als auch bei einer Temperatur von 400°C. Die Oxidationsstufe des Vanadiums auf der Oberfläche war bei der Reaktionstemperatur von 400°C für beide Proben die gleiche (4.0 ± 0.1). Die Dicke der obersten Schicht, in welcher Veränderungen der Oxidationsstufe bei der inhomogenen Probe auftraten wurde mit (3.5 ± 2.0) nm bestimmt. Ähnliche katalytische Eigenschaften der Proben zusammen mit der gleichen Oxidationsstufe der Oberfläche führten zu der Schlussfolgerung, dass dieser Wert die obere Grenze für eine Abschätzung der Dicke der katalytisch aktiven Schicht darstellt und dass die Struktur der katalytisch aktiven Schicht nicht notwendigerweise der Struktur der Bulk entspricht. Zusätzlich wurden Experimente unter reduzierenden Bedingungen in einer n-Butan/He-Gasmischung bei einem Druck von 1.6 mbar und einer Temperatur von 400°C durchgeführt. In der Gasmischung zeigte die homogene Probe langsamere Veränderungen der Vanadiumoxidationsstufe in der Oberfläche, verglichen mit der inhomogenen Probe. Diese korreliert mit einem langsameren Verlust der Maleinsäureanhydrid-Ausbeute für die homogene Probe. Das P/V-Atomverhältnis wurde für die homogene Probe mittels Referenzverbindungen bestimmt. Das Verhältnis veränderte sich während des Experimentes nur innerhalb des experimentellen Fehlers. Die Ergebnisse zeigen, dass in situ XPS eine geeignete und nützliche Methode für die Untersuchung von realen Katalysatoren ist.