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

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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.

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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.

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