Synthese, Charakterisierung und Untersuchungen zum Reduktionsverhalten von nanostrukturierten Metalloxiden in mesoporösen Kohlenstoffen

Abstract

Zum ersten Mal wurden nanostrukturierte Metalloxide der 3d-Übergangsmetalle in den Porensystemen von geordneten mesoporösen Kohlenstoffen synthetisiert. Über ein nasschemisches Imprägnierungsverfahren wurden so Wirt/Gast-Verbindungen vom Typ MexOy@CMK-n mit n = 1 und Me = Fe, Cu, Co sowie mit n = 3 und Me = Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn erhalten. Diese wurden dann im Anschluss innerhalb der Poren reduziert. Die Wirt/Gastverbindungen wurden mit dem sich ergänzenden, leistungsstarken Kanon an Untersuchungsmethoden wie der P-XRD, N2-Physisorption, TEM, IR-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie und XAS charakterisiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Auswertung der Röntgenabsorptionsspektren. Für die Auswerteprozedur wurde die herkömmliche Auswerteprozedur verfeinert und die damit erzielten Ergebnisse der der Standardprozedur gegenübergestellt. Somit wurde Zugang zu einem Auswerteverfahren geschaffen, mit dem auch Spektren von Teilchen kleiner 3 nm umfassender ausgewertet werden können. Erstmalig wurde das Reduktionsverhalten von nanostrukturierten Eisen(III)oxiden strukturiert und umfassend untersucht. Die Reduktionen der Proben Fe2O3@CMK-n wie auch des volumenkristallinen Hämatits als Referenzsubstanz wurden dabei sowohl temperatur- als auch zeitabhängig durchgeführt. Mit ersterer wurde gezeigt, dass die Reduktionsschritte hauptsächlich durch den Anteil an Wasserstoff sowie der Reduktionstemperatur beeinflusst werden. Mittels der zeitabhängigen Reduktionen wurde phasenreines Magnetit und Eisen sowie ein hoher Anteil an Wüstit in den Porensystemen der Wirtstruktur erzielt. Um eine elegantere, schnellere Reduktionsmöglichkeit als die im Labor zu erhalten, wurde eine Reaktionszelle entwickelt und implementiert, die die Verfolgung der Reduktion in situ mittels in situ Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ermöglicht. Parallel zu den hier beschriebenen Untersuchungen wurden Wirt/Gast-Verbindungen vom Typ FexOy@CMK-n ersten katalytischen Tests unterzogen. Diese wurden in Kooperationen mit dem Institut für Organische Chemie und dem Institut für Katalyse der Bulgarischen Akademie der Wissenschaften in Sofia unter Leitung von Prof. Dr. Christo Minchev durchgeführt.