Research

Prof. Dr. Martin Muhler

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Tel: +49 234 32 28754
E-mail: martin.muhler(at)ruhr-uni-bochum.de

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Heterogene Katalysatoren sind für den Großteil aller Prozesse in der chemischen Industrie unverzichtbar. Darüber hinaus finden sie zahlreiche Anwendungen in Raffinerien und bei der Energieumwandlung, und sie helfen die Umwelt zu schützen. Dennoch basieren ihre Entdeckung und Optimierung oft auf Versuch und Irrtum, und es gibt nur wenige Fälle, in denen ein vollständiges Verständnis auf atomarer Ebene erreicht wurde.

Der Lehrstuhl für Technische Chemie betreibt Grundlagenforschung auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse. Die wissenschaftliche Herausforderung ist die Aufklärung der Reaktionen auf atomarer Ebene und deren Zusammenspiel mit der komplexen Oberflächenchemie katalytisch aktiver Festkörper. Die untersuchten Reaktionen gehören zur industriellen Redoxchemie. Die Reduktionskatalyse umfasst die Methanol-, Fischer-Tropsch- und höhere Alkoholsynthese unter Verwendung von Synthesegas (CO, CO₂, H₂) unter Hochdruckbedingungen sowie die Hydrierung von ungesättigten organischen Molekülen. Die Oxidationskatalyse konzentriert sich auf die selektive Oxidation von Alkoholen in der Gasphase und in der Flüssigphase. Vor einiger Zeit sind wir in die Elektrokatalyse mit kohlenstoffbasierten Materialien, die heterogenen Photokatalyse und in die Plasmakatalyse eingestiegen. Die Flüssigphasenoxidation und die Elektrokatalyse erfordern ein tieferes Verständnis von solvatationsbezogenen Phänomenen.

Für die Synthese von Katalysatoren steht ein großes Repertoire an Methoden zur Verfügung, wozu die Fällung, die Sprühtrocknung und die chemische Gasphasenabscheidung zählen. Alle notwendigen Routineverfahren zur Bulk- und Oberflächencharakterisierung stehen zur Verfügung, wobei ein starker Fokus auf Sorptionstechniken einschließlich Kalorimetrie liegt.

Für Verbesserung der Katalysatoren untersuchen wir zunächst die stationäre Kinetik. Es stehen zahlreiche kontinuierlich betriebene Reaktoranlagen mit Online-GC- und FTIR-Analytik zur Verfügung, die ein effizientes Screening des Parameterraums ermöglichen. Die Rolle der verschiedenen Elementarschritte wird durch die Anwendung transienter kinetischer Methoden untersucht. Wir verwenden den temperaturprogrammierten Reaktorbetrieb, die Dosierung von Pulsen und Konzentrationssprüngen sowie isotopenmarkierte Edukte. Für diese Methoden setzen wir die schnelle Online-Massenspektrometrie ein. Darüber hinaus versuchen wir, so viele spektroskopische Informationen wie möglich zu gewinnen, wobei wir hauptsächlich die FTIR-, die Raman- und die Photoelektronenspektroskopie verwenden.

Unsere Forschung ist eingebunden in den Sonderforschungsbereich 247 "Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase - Mechanismen und Materialien in der Thermo-, Elektro- und Photokatalyse", den SFB/TRR 129 Oxyflame "Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre", den SFB 1316 "Transiente Atmosphärendruckplasmen: von Plasmen über Flüssigkeiten zu Festkörpern", die Research Departments Solvation Science, Materials, and Plasma, das Center for Electrochemical Sciences (CES) und das Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE).

Heterogeneous catalysts are essential for the majority of all chemical processes in industry. In addition, they find numerous applications in refineries and in energy conversion, and they help to protect the environment. Nevertheless, their discovery and their optimization has often been based on trial and error, and there are only a few cases, in which a complete understanding on the atomic level was achieved.

The Laboratory of Industrial Chemistry performs fundamental research in heterogeneous catalysis. The scientific challenge is the elucidation of the reactions on the atomic level and their interplay with the complex surface chemistry of catalytically active solids. The investigated reactions belong to industrial redox chemistry. Reduction catalysis comprises methanol, Fischer-Tropsch and higher alcohol synthesis using syngas (CO, CO₂, H₂) under high-pressure conditions, and the hydrogenation of unsaturated organic molecules. Oxidation catalysis focuses on the selective oxidation of alcohols in the gas phase and in the liquid phase. Recently, we entered the fields of electrocatalysis using carbon-based materials, heterogeneous photocatalysis, and plasma catalysis. Liquid-phase oxidation and electrocatalysis require a deeper understanding of solvation-related phenomena.

For the synthesis of catalysts, a large repertoire of methods is available including precipitation, spray drying and chemical vapor deposition. All the necessary routine techniques for bulk and surface characterization are available with a strong focus on sorption techniques including calorimetry.

For improving the catalysts, we first study steady-state kinetics. Numerous continuously operated flow set-ups with online GC and FTIR analytics are available, which allow to screen the parameter space efficiently. The role of the various elementary steps is investigated by applying transient kinetic methods such as temperature-programmed reactor operation, dosing pulses and concentration steps, and using isotopes. For these methods we strongly rely on fast online mass spectrometry. In addition, we try to gain as much spectroscopic information as possible using mainly FTIR, Raman and photoelectron spectroscopy.

Our research contributes to the Collaborative Research Center 247 "Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase - Mechanisms and Materials in Thermal, Electro-, and Photocatalysis", the CRC/TRR 129 Oxyflame "Development of methods and models to describe solid fuel reactions within an Oxy-Fuel atmosphere", the CRC 1316 "Transient Atmospheric Pressure Plasmas: from plasmas to liquids to solids", the Research Departments Solvation Science, Materials, and Plasma, the Center for Electrochemical Sciences (CES), and to the Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE).