Dipl.-Ing. Steffen Waglöhner
(Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik
Engler-Bunte-Institut
Bereich III Verbrennungstechnik)
Kinetische Modellierung der CO-Oxidation am Katalysator α-Fe2O3

Die Verschmutzung der Luft durch Schadstoffe rückt immer mehr in den Fokus öffentlicher Diskussionen. Hauptverursacher der Emissionen von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickstoffoxiden (NOx) ist die Verbrennung fossiler Energieträger, insbesondere im Industriesektor und Verkehrsbereich. Zur Entfernung von HC und CO aus Abgas- bzw. Abluftströmen haben sich in den letzten 20 Jahren Oxidationskatalysatoren auf der Basis der Edelmetalle Pt und Pd etabliert, so z.B. bei Diesel-Oxidations-Katalysatoren. Aufgrund der großen Nachfrage nach Abgasreinigungskatalysatoren und der begrenzten natürlichen Ressourcen der Edelmetalle ist es in der letzten Zeit zu einer weltweiten Rohstoffverknappung und in Folge dessen zu einem erheblichen Preisanstieg gekommen, vor allem für Platin. Aus diesem Grund rücken zunehmend auch edelmetallfreie Katalysatoren in den Mittelpunkt des Interesses. Literaturdaten sowie Arbeiten am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie zeigen, dass insbesondere Eisenoxid (Fe2O3) ein effektiver Katalysator für die Oxidation von CO darstellt. Im Rahmen eines wissensbasierten Konzepts zur gezielten Entwicklung von hocheffizienten Fe2O3-Katalysatoren wurden am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie detaillierte Untersuchungen zu Mechanismus und Kinetik der COOxidation an einem Fe2O3-Modellkatalysator vorgenommen. Basierend auf diesen Daten sowie eigenen Experimenten wurde in der Arbeit von Herrn Waglöhner ein kinetisches Modell entwickelt, das die Umsetzung von CO auf der Basis von Elementarschritten beschreibt und die kinetischen Gleichungen der einzelnen Schritte beinhaltet. Dieses sogenannte Mean-Field-Modell nimmt die Äquivalenz aller beteiligten Fe-Zentren an und berücksichtigt die Bedeckungsgradabhängigkeit der spezifischen Reaktionsgeschwindigkeiten. In Übereinstimmung mit detaillierten mechanistischen Resultaten und quantenmechanischen Berechnungen aus der Literatur wurde ein Eley-Rideal-Mechanismus angenommen, der die dissoziative Adsorption von O2 an der Katalysatoroberfläche annimmt. Dieser Oberflächensauerstoff reagiert dann mit dem gasförmigen CO zu CO2. Zur Ermittlung unabhängiger kinetischer Parameter wurde die Adsorption von O2 bzw. CO2 am Fe2O3-Katalysator separat betrachtet. Die kinetischen Parameter fließen in das Gesamtmodell der CO-Oxidation ein, das insgesamt 15 kinetische Parameter enthält. Das so erstellte kinetische Modell ist in der Lage, die CO-Oxidation am Fe2O3- Modellkatalysator über breite Betriebsbereiche sehr gut vorherzusagen (200-420°C, 0-99 vol.% O2, 400-6000 ppm CO, 0-79 vol.% CO2). Zudem wird aus dem kinetischen Modell der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der CO-Oxidation abgeleitet. Dadurch können in zukünftigen Arbeiten Eisenoxid-basierte Katalysatoren für die CO-Oxidation sehr gezielt entwickelt werden.

Preisgeld: 1.000 Euro für Dipl.-Ing. Steffen Waglöhner – Diplomarbeit