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Colloid-based heterogeneous catalysts with tunable size and surface properties
Sagaltchik, Anton
Improvements in catalyst’s performance for technical processes stagnated over the last decades. The need for new approaches towards better performing catalysts is apparent. In this thesis, colloidal synthesis methods are examined for different heterogeneously catalyzed reactions.
In chapter 2, synthesis of silver colloids with narrow particle size distributions for a particle size distribution were successfully synthesized. Three supported samples with differently sized silver nanoparticles were prepared. Among the prepared samples smaller silver particles (40 nm) showed the highest selectivity for ethylene epoxidation if unpromoted. By colloidal synthesis, silver-silver sulfide core-shell particles were produced. The supported core-shell particles were compared with an unpromoted colloid-based catalyst from chapter 2 and a colloid-based catalyst to which a sulfate species was added. The test revealed the superior performance of the sulfate promoted catalyst, whereas the sulfide samples performed poorly. This indicates that sulfate is the active sulfur species and there is no conversion of sulfides to sulfates during catalysis.
In chapter 4, nickel phosphide-manganese oxide core-shell particles were synthesized by colloidal methods, supported on γ-alumina and tested for dry reforming of methane. The performance of this material was compared to a similar catalyst without manganese. Both catalysts showed high activity and good stability over 60 h time on stream. In the last chapter a support variation was examined. Ordered mesoporous zirconium oxide was synthesized with the nanocasting method, whereby KIT-6 was used as the template. After depositing nickel via impregnation, the catalytic performance was compared with an aluminum supported nickel catalyst with similar metal loading. Until 700 °C, the mesoporous zirconia support outperformed the reference catalyst. The performance of the zirconia supported sample per surface area showed a better performance compared to the alumina supported sample indicating a promoter effect by the zirconia support.
In den letzten Jahrzehnten stagnierte die Leistungssteigerung von Katalysatoren für großtechnisches Prozesse. Daher ist es notwendig, neue Wege in der Herstellung von aktiveren Katalysatoren zu finden. In dieser Arbeit werden kolloidale Synthesemethoden für verschiedene heterogen katalysierte Reaktionen untersucht.
In Kapitel 2 wurden Silberkolloide mit engen Partikelgrößenverteilungen für eine Partikelgrößenstudie erfolgreich synthetisiert. Es wurden drei geträgerte Katalysatoren mit unterschiedlich großen Silberpartikeln hergestellt. Im Vergleich dieser Proben zeigten kleinere Silberpartikel (40 nm) die höchste Selektivität zu Ethylenoxid, sofern kein Promoter zugegeben wurde. Durch kolloidale Synthese wurden Silber/Silbersulfid Core-Shell-Partikel hergestellt. Das Katalysatorscreening zeigte, dass Katalysatoren mit Sulfatzusatz die beste Aktivität aufwiesen, während die Sulfidproben eine sehr geringe Aktivität zeigten. Dies deutet darauf hin, dass die Sulfatspezies die aktive Schwefelspezies ist.
In Kapitel 4 wurden Nickelphosphid-Manganoxid Core-Shell-Partikel für die Trockenreformierung von Methan mittels kolloidaler Methoden synthetisiert, auf γ-Aluminiumoxid geträgert und für die Trockenreformierung von Methan getestet. Dieser und ein vergleichbarer Katalysator ohne Mangan zeigten eine hohe Aktivität und eine gute Stabilität bei einer Betriebsdauer von über 60 h. Im letzten Kapitel wurden verschiedene Träger für die Trockenreformierung von Methan untersucht. Geordnetes, mesoporöses Zirkoniumdioxid wurde mittels hartem Templatieren hergestellt, wobei KIT-6 als Templat verwendet wurde. Nach Nickelabscheidung mittel Imprägnierung wurde die katalytische Aktivität mit einem aluminiumgeträgerten Nickelkatalysator mit ähnlicher Metallbeladung verglichen. Bis 700 °C übertraf der mesoporöse Zirkoniumdioxidträger die Aktivität des Referenzkatalysators. Die zirkoniumgeträgerte Probe zeigte eine bessere Aktivität pro Oberfläche im Vergleich zu der Probe mit dem Aluminiumoxidträger, was auf einen Promotoreffekt durch den Zirkoniumdioxidträger hindeutet.
