Chemische Bildgebung von räumlichen Heterogenitäten in katalytischen Festkörpern auf unterschiedlichen Längen‐ und Zeitskalen

Abstract

Katalytische Festkörper im Rampenlicht: Die gezielte Entwicklung von neuen oder verbesserten heterogenen Katalysatoren erfordert genaue Einblicke in ihre Struktur und Funktionsweise. Hierfür stehen Techniken der chemischen Bildgebung zur Verfügung, die räumlich und zeitlich aufgelöste Informationen über katalytische Festkörper auf unterschiedlichen Längenskalen liefern – d. h. auf der Stufe der Reaktoren, der Katalysatorkörper, der Katalysatorkörner und der Nanopartikel. Die Kenntnis räumlich‐zeitlicher Gradienten in heterogenen Katalysatoren ist von allergrößter Bedeutung für den gezielten Entwurf von neuen und nachhaltigeren katalytischen Prozessen. Heterogenitäten, die zu raum‐ und zeitabhängigen Phänomenen führen, kommen auf unterschiedlichen Längenskalen vor, beginnend auf der Stufe der Katalysereaktoren (mm bis m), über die Katalysatorkörper (µm bis mm) und Katalysatorkörner (nm bis µm) bis hin zu den aktiven Zentren und Nanopartikeln (Å bis nm). Dieser Aufsatz fasst die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von raum‐ und zeitauflösenden Spektroskopiemethoden für die Bildgebung räumlicher Heterogenitäten in katalytischen Prozessen auf diesen vier Längenskalen zusammen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Anwendung von Kernresonanz‐, optischen und Synchrotronmethoden, die vor allem auf ihre Fähigkeit zur räumlichen Auflösung (1D‐ und 2D‐Bildgebung) und Tiefenprofilierung (3D‐Bildgebung) untersucht werden. Darüber hinaus werden zeitaufgelöste Anwendungen dieser Techniken diskutiert, ebenso wie ihr Potenzial für die Einzelmolekül‐ und Nanopartikeldetektion und ihr Einsatz unter Reaktionsbedingungen. Der Aufsatz endet mit einem Ausblick auf spektroskopische Aktivitätsmarker, markerfreie Spektroskopie, Tomographie auf der Nanoskala und korrelative mikroskopische Ansätze.

Probing the Location and Speciation of Elements in Zeolites with Correlated Atom Probe Tomography and Scanning Transmission X‐Ray Microscopy

“…Multiscale material complexity and heterogeneity is one of the key drivers for ever more advanced characterization re-search. [1][2][3][4][5][6][7][8][9] Zeolites are heterogeneous catalysts that exhibit such complexity, spanning several orders of magnitude from their catalytic active site (sub-nanometer) to large industrial reactors (tens of meters), and even within single crystals they contain compositional gradients and defects spanning subnanometer to micrometer length scales. [4] There are many characterization techniques that provide spatially resolved information, with varying degrees of chemical information content, but there are few characterization techniques that provide the necessary high spatial resolution and chemical information content.…”

Probing the Different Life Stages of a Fluid Catalytic Cracking Particle with Integrated Laser and Electron Microscopy

“…Recently, various chemical imaging methods have been introduced that allow identifying the intra-and interparticle heterogeneities of catalyst materials. [18,19] In previous work, we have developed a characterization method that allows selectively staining the active sites in the FCC particles with a fluorescent probe. At sufficiently strong Brønsted acid Abstract: While cycling through a fluid catalytic cracking (FCC) unit, the structure and performance of FCC catalyst particles are severely affected.…”

Label‐Free Chemical Imaging of Catalytic Solids by Coherent Anti‐Stokes Raman Scattering and Synchrotron‐Based Infrared Microscopy

“…Three-dimensional, high-resolution chemical maps of the spatial distribution of catalytic species within crystal zeolites would provide unprecedented insight into the structure-reactivity relationship, which could lead to the design of improved catalysts. [1,2] Herein, we propose a unique combination of multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) and synchrotron-based infrared (IR) microspectroscopy experiments to achieve this goal. The latter, employing a light source 100-1000 times brighter than conventional IR light, has been shown to be a powerful tool for obtaining two-dimensional (2D) chemical maps with micrometer spatial resolution of a solid acid in the course of a catalytic reaction.…”