Neuartiger Deacon-ähnlicher Prozess zur katalytischen Oxidation von HCl über RuO2

• Antragsteller: Professor Dr. Herbert Over
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 60700559

Erst kürzlich hat Sumitomo Chemicals einen sehr effizienten und stabilen Deacon-ähnlichen Prozess für die heterogen-katalysierte Oxidation von HCI mit Sauerstoff über RuO2 entwickelt und industriell eingesetzt [1]. Mit diesem Verfahren (Sumitomo-Prozess) kann das bei der Chlorierung anfallende Nebenprodukt HCl mit geringem Energieaufwand direkt in Cl2 zurückverwandelt und in den technischen Prozess zurückgespeist werden (geschlossener Kreislauf).Das Hauptziel dieses Antrages ist es, den Reaktionsmechanismus der HCl-Oxidation über einen Modellkatalysator für den Sumitomo-Prozess - nämlich der RuO2(110) Oberfläche - auf atomarer Skala umfassend zu beleuchten. Es sollen insbesondere die elementaren Reaktionsschritte identifiziert und deren Aktivierungsenergien und Übergangszustände bestimmt werden. Hierzu werden unterschiedliche in situ-Techniken (Infrarotspektroskopie-RAIRS, Oberflächen-Röntgenbeugung-SXRD and Massenspektrometrie-MS) und Dichtefunktionaltheorie (OFT) Rechnungen zum Einsatz kommen, um die Reaktionsintermediate auf der Katalysatoroberfläche während der katalysierten HCl-Oxidation zu identifizieren sowie den katalytisch aktiven Zustand des Modellkatalysators zu bestimmen. Erste Untersuchungen aus unserer Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass der RuO2(110)-Modellkatalysator unter Reaktionsbedingungen teilweise chloriert. Ganz besondere Beachtung findet daher die Rolle von RuO2-xClx(110) in der Reaktion 2HCl + 1/2O2 → CI2 + H2O. Die atomare Struktur des arbeitenden Katalysators RuO2-xClx(110) wird mit der Beugung langsamer Elektronen (LEED) und DFT Rechnungen bestimmt. Gleichermaßen wichtig ist die strukturelle und chemische Stabilität dieser RuO2-xClx(110) Phase unter Reaktionsbedingungen. Dies soll mit in situ-Oberflächen-Röntgenbeugung untersucht werden. Mit DFT Rechnungen und Photoelektronenspektroskopie (PES) wird die elektronische Struktur der chlorierten RuO2(110)-Oberfläche untersucht und mit derjenigen von RuO2(110) verglichen. Von diesen Untersuchungen erwarten wir vertiefte Einsichten in das Wechselspiel von elektronischen Eigenschaften und der chemischen Reaktivität des Katalysators. Natrium wird in typischen Deacon-Prozessen als wichtiger Promotor eingesetzt, mit dem die elektronische Eigenschaft an der Katalysator-Oberfläche eingestellt und die Stabilität des Katalysators erhöht werden kann. Die Veränderungen sollen mit PES, Temperaturprogrammierter Reaktion (TPR) und DFT Rechnungen untersucht werden. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sollten eine rationale Suche nach noch besseren Katalysatormaterialien für Deacon-Prozesse ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Massenspektrometer mit Molekularstrahlen
• Gerätegruppe: 1700 Massenspektrometer