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Nanostrukturierte, mesoporöse Au/MeOx Katalysatoren für Tieftemperatur- Oxidation- und Reduktion
Professor Dr. Rolf Jürgen Behm Universität Ulm Fakultät für Naturwissenschaften Institut für Oberflächenchemie und Katalyse Ulm
Zusammenfassung Das Projekt zielt darauf ab, die Möglichkeiten eines neuartigen Syntheseansatzes für monodisperse, mesoporöse Au/MeOx Nanopartikel für Anwendungen in der Heterogenen Katalyse, speziell für Oxidations- /Reduktionsreaktionen bei niedrigen Temperaturen, auf der Grundlage eines molekularen Verständnisses zu evaluieren. Das Syntheseverfahren hat erhebliches Potential, weil die daraus resultierenden Katalysatoren i) aufgrund ihrer mesoporösen Struktur und der Verteilung der aktiven Metallspezies im Partikelinneren eine hohe Dispersion und damit eine hohe Aktivität versprechen, ii) die Verankerung in den Poren außerdem eine Stabilisierung der aktiven Metallpartikel ermöglicht, iii) die einfache Bildung von Mischoxid-Trägern über die Veränderung der Träger-Azidität Möglichkeiten zur Steuerung der Bildung von Nebenprodukten bietet, und sich iv) aufgrund der homogenen Diffusionseigenschaften der einzelnen Kompositpartikel neue Möglichkeiten zur Steuerung katalytischer Reaktionen über die Ausnutzung von Transporteffekten ergeben. In diesem Teilprojekt sollen die von den Projektpartnern synthetisierten nanostrukturierten Au/MeOx Kompositpartikel (,Prä-Katalysatoren') zunächst durch geeignete Prozessierung (,Konditionierung') in einen aktiven Zustand überführt werden. Anschließend sollen die chemischen und katalytischen Eigenschaften der resultierenden Katalysatoren sowie die Abhängigkeit dieser Eigenschaften von der Morphologie/Struktur und dem chemischen Zustand der Au/MeOx Teilchen durch spektroskopische (XPS, IR), elektronenmikroskopische (TEM) und reaktionskinetische/mechanistische Messungen untersucht werden. Transport und Diffusionseffekte sollen durch schnelle zeitaufgelöste Messungen an einem TAP Reaktor erfasst werden. Ziel ist ein molekulares Verständnis der bei der Konditionierung und der katalytischen Reaktion ablaufenden Prozesse als Grundlage für die gezielte Optimierung dieser nanostrukturierten Materialien und ihres Synthese- /Konditionierungsprozesses. Bei geeigneten Katalysatoren sollen diese Erkenntnisse durch anwendungsrelevante Aspekte (katalytisches und Transportverhalten unter realistischen Bedingungen etc.) ergänzt werden.
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Strukturierte Nanopartikel über kooperative Selbstorganisations- und Sol- Gel-Prozesse
Professor Dr. Nicola Hüsing Universität Ulm Fakultät für Naturwissenschaften Abteilung Anorganische Chemie I (Festkörperchemie) Ulm
Zusammenfassung Das Ziel dieses Projekts ist es, durch die Kombination von Sol-Gel Prozessen, kolloider Selbstorganisation und Miniemulsionstechniken multifunktionelle anorganische Partikel herzustellen, die ein in dieser Kombination einzigartiges Eigenschaftsprofil zeigen: Einen maßgeschneiderten hierarchischen nanoskaligen Aufbau mit einer monodispersen Größenverteilung der Partikel einstellbar von 20 bis zu 500 nm und einer internen Nanostruktur mit periodischen Wiederholungen in der Größenordnung von 2-10 nm. Im Rahmen dieses Teilprojektes soll ein gezieltes Design der Ausgangsverbindungen, sowohl auf Basis der netzwerkbildenden als auch der strukturgebenden Komponente, eine definierte chemische Zusammensetzung von gemischt-oxidischen und metal-dotierten Systemen gewährleisten. Neben der Zusammensetzung der Partikel sollen das Mesophasenvolumen kontrolliert sowie eine Bandbreite von Nanostrukturen zugänglich gemacht werden. Die hohe Porosität der Partikel kombiniert mit der geringen Dichte und ihre definierte Größe erlauben nicht nur den Einsatz in neuen Anwendungsgebieten, sondern es werden auch neue Morphologien zugänglich wie z.B. Packungen von hochstrukturierten 2-dimensionalen Schichtstrukturen auf Substraten oder und 3-dimensionale Formkörper.
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Hochaufgelöste Analytische Transmissionselektronenmikroskopie zur Aufklärung der Herstellungs-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von nanoporösen anorganischen Materialien
Professor Dr. Ute Kaiser Universität Ulm Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie Ulm
Zusammenfassung Dieses Projekt zielt darauf ab, Methoden modernster und konventioneller Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur Analyse von Struktur, Morphologie, Elementverteilung und Größenverteilung nanoporöser anorganischer Materialien einzusetzen und stellt somit ein wichtiges Bindeglied in der Aufklärung der Korrelation zwischen Syntheseparametern und Eigenschaft der Materialien dar. Im Besonderen sollen Beiträge zur Aufklärung (i) des Wachstums und der Struktur kristalliner mesoporöser monodisperser Nanopartikel (TP Hüsing und TP Landfester), (ii) der katalytischen Eigenschaften mesoporöser Au/MeOx-Partikel (TP Behm) geliefert werden. Hierbei soll im Wesentlichen die Abbildung von Porensystemen in 2D und in 3D für die Fragestellungen in (i) im Vordergrund stehen, wobei in der neuen Antragsperiode ein methodischer Schwerpunkt auf der Elektronentomographie auch bei 80kV Beschleunigungsspannung gelegt werden soll. Aus konventionellen transmissionselektronenmikroskopischen Abbildungen stichprobenartig gepaart mit Untersuchungen in höchstauflösender ZKontrast STEM (Rastertransmissionselektronenmikroskopie) soll der für eine zuverlässige statistische Nano-Partikelanalyse notwendige umfangreiche statistisch gesicherte Datensatz geliefert werden, welcher für das Verständnis der heterogenen Katalyse (iii) essentiell ist. Durch die Inbetriebnahme und Akzeptanz der Geräteparameter des neuartigen bildfehlerkorrigierten Transmissionselektronenmikroskops TITAN 80-300 im Zeitraum der vergangenen Antragsperiode bestehen nun exzellente apparative Voraussetzungen für die Anwendung oben genannter Methodenvielzahl.
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Strukturierte Nanomaterialien aus Nanokompartments
Professor Dr. Katharina Landfester Universität Ulm Fakultät für Naturwissenschaften Abteilung Organische Chemie III (Makromolekulare Chemie und organische Materialien) Ulm
Zusammenfassung Ziel dieses Projektes ist es, durch die Kombination von Sol-Gel-Prozessen und Miniemulsionstechniken multifunktionielle anorganische Partikel herzustellen, die ein in der Kombination einzigartiges Eigenschaftsprofil zeigen: einen maßgeschneiderten hierarchischen nanoskaligen Aufbau mit einer monodispersen Größenverteilung der Partikel einstellbar von 20 bis 500 nm und einer internen Nanostruktur mit periodischen Wiederholungen in der Größenordnung von 2-10 nm. Eine Beladung der Nanopartikel mit Au/MeOx ermöglicht anschließend den Einsatz für Anwendungen in der heterogenen Katalyse, speziell für Oxidations-/Reduktionsreaktionen bei niedrigen Temperaturen. Das Syntheseverfahren hat erhebliches Potential, weil die daraus resultierenden Katalysatoren i) aufgrund ihrer mesoporösen Struktur und der Verteilung der aktiven Metallspezies im Partikelinneren eine hohe Dispersion und damit eine hohe Aktivität versprechen, ii) die Verankerung in den Poren außerdem eine Stabilisierung der aktiven Metallpartikel ermöglicht, iii) die einfache Bildung von Mischoxid-Trägern über die Veränderung der Träger-Azidität Möglichkeiten zur Steuerung der Bildung von Nebenprodukten bietet, und sich iv) aufgrund der homogenen Diffusionseigenschaften der einzelnen Kompositpartikel neue Möglichkeiten zur Steuerung katalytischer Reaktionen über die Ausnutzung von Transporteffekten ergeben. Der Hauptfokus dieses Teilprojektes liegt in der Herstellung von neuartigen strukturierten anorganischen Nanopartikeln in Gegenwart von verschiedenen interagierenden Tensidmolekülen. Dabei werden die Tenside zum einen als strukturdirigierendes Agens in den Tröpfchen der Precursorkomponente eingesetzt, zum anderen gewährleisten sie die Stabilität der Nanotröpfchen in der kontinuierlichen Phase. Nach einer Kondensationsreaktion werden Partikel erhalten, die eine Beladung mit katalytisch aktiven Substanzen erlauben.
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