Infrarotspektroskopie an katalytisch aktiven Oberflächen

Abstract

Katalysatoren besitzen in der heutigen Zeit einen großenStellenwert. Die Tatsache, dass bereits kleine Mengen große Wirkungerzielen, ist besonders für die Wertschöpfung in der chemischenIndustrie von zentraler Bedeutung. Als Beispiel sei dieAmmoniak-Synthese nach Haber und Bosch genannt, die ohne den Einsatzvon Katalysatoren unwirtschaftlich wäre.

Bereits in der Antike wurde Katalyse betrieben, wenn auch nur reinempirisch, denn Reaktionsabläufe waren nicht bekannt. Erst gegenEnde des 18. Jahrhunderts begannen sich Wissenschaftler dafür zuinteressieren, dass bei manchen Reaktionen ein zusätzlicher Stoffvorhanden war, ohne den die Reaktion nicht ablief, der sich aberselbst nicht zu verändern schien. Besonders Säuren, Metalle undMetalloxide wurden als Katalysatoren eingesetzt. Das hat sich bisheute nicht geändert. Die bereits erwähnte Ammoniak-Synthese wirddurch Eisen katalysiert. Auch der Abgaskatalysator im Auto enthältauf Keramikträger aufgebrachte Metallpartikel, um zu gewährleisten,dass die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen quantitativ verläuftund der in Stickoxiden gebundene Sauerstoff auf Kohlenstoffmonooxidund auf noch nicht oxidierte Kohlenwasserstoffe übertragen wird. Nurnoch Stickstoff und Kohlenstoffdioxid bleiben als ungefährliche Gasezurück. In Anbetracht der Tatsache, dass die Umweltverschmutzung einzentrales Problem der heutigen Zeit ist, stellen die Umsetzungtoxischer Gase in umweltverträgliche Stoffe einen wichtigenLösungsansatz dar. Derartige Gasreaktionen finden an den katalytischaktiven Oberflächen der Metalle statt. Daher ist es wichtig zuverstehen, was genau an der Metalloberfläche passiert. Unter realenBedingungen gestaltet sich das jedoch schwierig, weil die Systeme zukomplex sind. Es wurden vereinfachte Modellsysteme geschaffen inForm von Einkristallen unter Ultrahoch-Vakuum-Bedingungen. Dieseidealisierten Bedingungen ergaben 'pressure gap' (Drucklücke) und'materials gap' (Materiallücke). Mittels geeigneter Messmethoden,die auch bei höheren Drücken reproduzierbare Ergebnisse erzielen,konnte dieses Problem für manche Systeme gelöst werden. DieInfrarot-Reflexions-Adsorptions-Spektroskopie (IRAS) gehört zu denMessmethoden, mit deren Hilfe es möglich ist, dieReaktionsmechanismen an katalytisch aktiven Oberflächen zuuntersuchen und die Drucklücke zu überwinden.

In Kapitel 1 werde ich zunächst auf die Grundlagen derSchwingungsspektroskopie und der Fourier-Transformation eingehen,bevor ich in Kapitel 2 dieInfrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie im Detail erläutere.Als Beispiel einer katalysierten Reaktion habe ich die Oxidation vonKohlenstoffmonoxid an Ruthenium ausgewählt, welches eingehenderforscht worden ist. Im praktischen Teil meiner Arbeit (Kapitel 4)werde ich die Adsorption von CO auf Ruthenium in Abhängigkeit vonder Bedeckung untersuchen.

Im Anhang dieser Arbeit sind verschiedene Literaturquellen zum Thema IRAS angegeben, in denen Grundlagen und Anwendungen vermittelt werden. Zudem ist das aktuelle Skript für den Versuch am FT-IR-Spektrometer beigefügt, welches ich in Zusammenarbeit mit Studenten im Rahmen des Fortgeschrittenenpraktikums am Physikalisch-Chemischen Institut überarbeitet habe.