Heterogene Katalyse

Von einer heterogenen Katalyse wird gesprochen, wenn bei einer chemischen Reaktion der Katalysator und die reagierenden Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen.

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Formen heterogener Katalysatoren

Der bei weitem am häufigsten eingesetzte Aggregatszustand heterogener Katalysatoren ist die feste Form. Hierbei besteht der Katalysator (oder auch Kontakt) entweder vollständig aus der aktiven Komponente (sog. Vollkatalysatoren) oder die eigentlich wirksame aktive Komponente wird auf ein Trägermaterial aufgebracht (der sicherlich häufigste Fall).

Oft werden diese Feststoffkatalysatoren zweiphasig (mit nur flüssigen oder nur gasförmigen Edukten + dem festen Katalysator) oder dreiphasig (gasförmiges Edukt + flüssiges Edukt + fester Katalysator) in Kontakt gebracht.

Bei den Feststoffkatalysatoren kann man grob in Pulver-, Formkörper- und Monolithkatalysatoren unterscheiden.

Die Formkörperkatalysatoren bestehen zumeist aus mit aktiver Komponente beschichteten keramischen Teilchen (typische Dimensionen sind hier z. B. 3×3 - 6×6 mm Zylinder oder Kugeln mit Durchmessern zwischen 2 bis 6 mm). Die keramischen Materialien sind häufig Aluminiumoxid, Zeolithe und Siliziumoxid. Eingesetzt werden diese Katalysatoren zumeist in sogenannten Festbettreaktoren, in denen die Edukte kontinuierlich zu- und die entstehenden Produkte abgeführt werden. Wichtige Kenngrößen sind hier neben der katalytischen Wirksamkeit die Schüttdichte und Druckverlusteigenschaften des Materials.

Im Falle der Monolithkatalysatoren wird ein Wabenkörper mit einem so genannten Washcoat beschichtet. Der Grundkörper besteht hierbei zumeist aus mineralischer Keramik (Cordierit oder Metall). Der Washcoat ist eine Pulversuspension (oft ein Gemisch aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid und weiteren Metalloxiden). Diese (zumeist wässrige) Pulversuspension wird auf die Wabe aufgebracht, angetrocknet und danach mit einer aktiven Metallkomponente (zum Beispiel Platin / Rhodium / Palladium bei PKW-Katalysatoren) imprägniert und anschließend durch Calcinierung aktiviert. Das so genannte Washcoaten geschieht, weil der reine Träger oft nicht genügend Aufnahmekapazität für das aktive Metall aufweist. Wichtige Kenngrößen sind hier neben der katalytischen Wirksamkeit die Zelldichte (also Anzahl der Kanäle pro Anströmflächeneinheit) und Druckverlust des Monolithen.

Pulverkatalysatoren hingegen werden zumeist in nicht- oder nur semikontinuierlichen Rührkesselreaktoren oder Wirbelschichtreaktoren eingesetzt. Das Katalysatorpulver wird durch Adsorption oder Tränken eines Trägers (z. B. Aktivkohle, Aluminiumoxid, Siliziumoxid o. a.) mit einer Metallsalzlösung (die die aktive Komponente darstellt) hergestellt. Wichtige Kenngrößen sind hier, neben der katalytischen Wirksamkeit, die Filtrierbarkeit, die Abriebfestigkeit und die Dichte des Materials.

Beispiel

$\mathrm{N_2 \ (gasf \ddot o rmig) + 3H_2 \ (gasf \ddot o rmig) \ \xrightarrow{Katalysator \ Cereisen \ (fest)} \ 2NH_3 \ (gasf \ddot o rmig)}$

Literatur

Ferdi Schüth: Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie: Heterogene Katalyse. Chemie in unserer Zeit 40(2), S. 92 - 103 (2006), ISSN 0009-2851

Siehe auch

Kategorie: Technische Chemie

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