Kurzfassung
Heterogene Katalyse spielt in vielen Bereichen der chemischen Industrie eine wichtige Rolle, z. B. bei Oxidationsreaktionen, und Dehydrierungsreaktionen. Bei heterogenen katalytischen Prozessen verändern die Materialien ihre Struktur in Abhängigkeit von Variationen in ihrer chemischen Umgebung und im Laufe ihrer Anwendung, was zu einer reduzierten Funktion des Katalysators führen kann. Ein genaues Verständnis der ablaufenden Prozesse und der strukturellen Veränderungen auf verschiedensten Längenskalen - von der atomaren Skala der katalytisch aktiven Zentren bis hin zur makroskopischen Skala - ist daher von großer Bedeutung für die industrielle Anwendung. Um diese strukturellen und chemischen Veränderungen zu charakterisieren, können verschiedene Techniken verwendet werden. Konventionelle spektroskopische Charakterisierungstools wie z. B. Raman-Spektroskopie erlauben Echtzeitmessungen, eine quantitative Analyse und die Identifizierung der Reaktionsmechanismen.
Röntgenmikroskopie kann hier einen wichtigen Beitrag leisten, da aufgrund der relativ schwachen Wechselwirkung von harter Röntgenstrahlung mit Materie strukturelle Information auch aus dem Inneren von Proben in 3D erhalten werden kann. Auch lässt sich die Technik leicht mit Spektroskopie kombinieren, so dass zusätzlich zur lokalen Dichte auch der chemische Zustand eines Materials untersucht werden kann. Auf diese Weise kann man daher dynamische Prozesse unter operando Bedingungen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung untersuchen. In dieser Arbeit wurden Methoden weiterentwickelt, Röntgenvollfeldmikroskopie mit Röntgenabsorptionsspektroskopie zu kombinieren. Die Methodik wurde an bekannten chemischen Reaktionen als Testsysteme an Beamline P64 (PETRA III) demonstriert. Dies erlaubte zum Beispiel die Untersuchung von strukturellen Veränderungen des chemischen Oxidationszustandes eines Platin-Katalysators während der katalytisch partiellen Oxidation von Ethan unter operando Bedingungen.
Diese erste 2D Demonstration der Methode wurde außerdem auf 3D mit Hilfe der Röntgentomographie erweitert und am Beispiel der Oxidativen Dehydrierung von Ethan zu Ethylen demonstriert. Dies erlaubte den lokalen chemischen Oxidationszustand des Molybdän-Katalysematerials während des Betriebs zu untersuchen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse das große Potenzial der Methode für die Visualisierung von chemischen Katalyseprozessen mit hoher räumlicher Auflösung in 3D. Die Methode lässt sich leicht an Beamlines implementieren, die mit einem hohen Röntgenfluss, einem schnell scannenden Röntgenmonochromator und einer geeigneten Gasphasen-Analyseumgebung ausgestattet ist.
Heterogeneous catalysis plays an important role in many areas of the chemical industry such as oxidation reactions, and dehydrogenation reactions. In heterogeneous catalytic processes, the materials experience changes in their structure depending on variations in their chemical environment and in the course of their application, which can lead to a reduced function of the catalyst. A precise understanding of the processes taking place and the structural changes occurring on various length scales - from the atomic scale of catalytically active sites to the macroscopic scale - is therefore of great importance for industrial applications. In order to characterize these structural and chemical changes different techniques can be employed. Conventional spectroscopic characterization tools such as Raman spectroscopy allow real-time measurements, quantitative analysis and identification of reaction mechanisms. X-ray microscopy can make an important contribution here, as it allows for the extraction of structural information from within samples in three dimensions, due to the relative weak interaction of hard X-rays with matter. Also, this technique can easily be combined with spectroscopy, allowing for the investigation of both the local density and the chemical state of a material. In this way, dynamic processes can be analyzed under operando conditions with high temporal and spatial resolution. In this work, methods were developed to combine X-ray full-field microscopy with X-ray absorption spectroscopy. The methodology was demonstrated on well-known chemical reactions as test systems at beamline P64 (PETRA III). This allowed for the investigation structural changes in the chemical oxidation state of a platinum catalyst during the catalytic partial oxidation of methane under operando conditions. This initial 2D demonstration of the method was further extended to 3D using X-ray tomography, and the oxidative dehydrogenation of ethane to ethylene was investigated using this method. This enabled us to investigate the local chemical oxidation state of Molybdenum as catalytic material during operation. Overall, the results demonstrate the great potential of the method for visualizing chemical catalysis processes with high spatial resolution in 3D. These methods can be easily implemented at beamlines equipped with high X-ray flux, fast-scanning X-ray monochromators, and a suitable gas-phase analysis environment.