Synthese und Charakterisierung Morphologie-kontrollierter Cer-Zirconium Mischoxide

Abstract

Die Nachbehandlung von Abgasen aus Ottomotoren – die Drei-Wege Katalyse – stellt eines der größten Anwendungsgebiete mesoporöser CeO2-basierter Sauerstoff-speichermaterialien dar. Deren Mesoporenmorphologie, welche maßgeblich über die zugrundeliegenden Syntheseparameter kontrolliert wird, hat dabei einen unmittelbaren Einfluss auf die katalytische Aktivität und thermische Stabilität der Katalysatoren. Die stattfindenden Reaktionen unterliegen diffusionskontrollierten Transportprozessen im Inneren des Porenraumes und hängen so direkt mit der Konnektivität der Poren im Netzwerk zusammen. Durch die starke thermische Beanspruchung der Materialien ist zudem eine hohe thermische Stabilität unerlässlich, um eine hohe Langzeitaktivität zu gewährleisten. Dies erfordert jedoch eine genaue Kenntnis der Zusammenhänge zwischen Syntheseparametern und resultierender Mesoporenstruktur und konnektivität sowie der thermischen Degradierung. Um neue Synthesestrategien für mesoporöse Materialien mit hoher thermischer Stabilität zu entwickeln, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Erforschung der Wirkung von Syntheseparametern auf die Mesoporenmorphologie komplexer CeO2-basierter Mischoxide. Basierend auf einer literaturbekannten Hydrothermalsynthese wurden ungeordnet mesoporöse CexZr1−x−y−zYyLazO2−δ Pulver hergestellt, und mittels „state-of-the-art“ Physisorptionsanalyse (inklusive Hysterese-Scanning) und Elektronentomo-graphie in Abhängigkeit der Syntheseparameter und schritte detailliert charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass an die Oberfläche gebundene Nitratgruppen eine große Rolle bei der Entwicklung des Porenraumes während der Kalzinierung spielen. Bei niedrigen Temperaturen verlangsamen sie Sinterprozesse und verhindern so den Verlust von Porosität. Eine mildere Alternative zur Kalzinierung stellt eine zusätzliche hydrothermale Nachbehandlung der gebildeten Niederschläge in wässriger, basischer Lösung dar. Sie führt zu einer pH-abhängigen Erhöhung der thermischen Stabilität und Zugänglichkeit der Mesoporen durch Aufweitung der verbindenden Porenöffnungen. Die Interpretation der Ergebnisse aus Hysterese-Scanning Experimenten zur Konnektivitätsanalyse ungeordnet mesoporöser Festkörper stellt weiterhin eine besondere Herausforderung dar. Durch die Kombination mit Elektronentomographie liefert diese Arbeit jedoch einen Beitrag zu deren tiefergehendem Verständnis, welches die Basis für eine Etablierung der Methode als Standardverfahren darstellt.