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Infrarotspektroskopie an katalytisch aktiven Oberflächen

Infrared spectroscopy of catalytic reactive surfaces

Goldstein, Rolf


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Freie Schlagwörter (Deutsch): IRAS , Infrarot , Spektroskopie , Ruthenium , Oberfläche
Freie Schlagwörter (Englisch): IRAS , infrared , spectroscopy , Ru(0001) , surface
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Physikalisch-Chemisches Institut
Fachgebiet: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Semesterarbeit, Studienarbeit
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 29.08.2005
Kurzfassung auf Deutsch: Katalysatoren besitzen in der heutigen Zeit einen großen
Stellenwert. Die Tatsache, dass bereits kleine Mengen große Wirkung
erzielen, ist besonders für die Wertschöpfung in der chemischen
Industrie von zentraler Bedeutung. Als Beispiel sei die
Ammoniak-Synthese nach Haber und Bosch genannt, die ohne den Einsatz
von Katalysatoren unwirtschaftlich wäre.

Bereits in der Antike wurde Katalyse betrieben, wenn auch nur rein
empirisch, denn Reaktionsabläufe waren nicht bekannt. Erst gegen
Ende des 18. Jahrhunderts begannen sich Wissenschaftler dafür zu
interessieren, dass bei manchen Reaktionen ein zusätzlicher Stoff
vorhanden war, ohne den die Reaktion nicht ablief, der sich aber
selbst nicht zu verändern schien. Besonders Säuren, Metalle und
Metalloxide wurden als Katalysatoren eingesetzt. Das hat sich bis
heute nicht geändert. Die bereits erwähnte Ammoniak-Synthese wird
durch Eisen katalysiert. Auch der Abgaskatalysator im Auto enthält
auf Keramikträger aufgebrachte Metallpartikel, um zu gewährleisten,
dass die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen quantitativ verläuft
und der in Stickoxiden gebundene Sauerstoff auf Kohlenstoffmonooxid
und auf noch nicht oxidierte Kohlenwasserstoffe übertragen wird. Nur
noch Stickstoff und Kohlenstoffdioxid bleiben als ungefährliche Gase
zurück. In Anbetracht der Tatsache, dass die Umweltverschmutzung ein
zentrales Problem der heutigen Zeit ist, stellen die Umsetzung
toxischer Gase in umweltverträgliche Stoffe einen wichtigen
Lösungsansatz dar. Derartige Gasreaktionen finden an den katalytisch
aktiven Oberflächen der Metalle statt. Daher ist es wichtig zu
verstehen, was genau an der Metalloberfläche passiert. Unter realen
Bedingungen gestaltet sich das jedoch schwierig, weil die Systeme zu
komplex sind. Es wurden vereinfachte Modellsysteme geschaffen in
Form von Einkristallen unter Ultrahoch-Vakuum-Bedingungen. Diese
idealisierten 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. Die
Infrarot-Reflexions-Adsorptions-Spektroskopie (IRAS) gehört zu den
Messmethoden, mit deren Hilfe es möglich ist, die
Reaktionsmechanismen an katalytisch aktiven Oberflächen zu
untersuchen und die Drucklücke zu überwinden.

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