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Dissertation

Autor(en): Ercan Uenveren
Titel: Characterization of Cr 2 O 3 catalysts for Cl/F exchange reactions
Gutachter: Erhard Kemnitz; Klaus Rademann; Wolfgang E. S. Unger
Erscheinungsdatum: 11.05.2004
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10033474)
Fachgebiet(e): Chemie
Schlagwörter (ger): Heterogene Katalyse, Katalysator Charakterisierung, Cr2O3 Katalysatoren, Halogen Austauschreaktionen, XPS, ESCA, TOF-SIMS, XANES, Multiplet-Aufspaltung, Satelliten, Shake-up
Schlagwörter (eng): Heterogeneous catalysis, Catalyst characterization, Cr2O3 catalysts, Halogen exchange reactions, XPS, ESCA, TOF-SIMS, XANES, Multiplet splitting, Satellites, Shake-up
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Zitationshinweis: Uenveren, Ercan: Characterization of Cr 2 O 3 catalysts for Cl/F exchange reactions; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 11.05.2004, urn:nbn:de:kobv:11-10033474
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Abstract (ger):
Der Cr2O3 ist einer der wichtigsten Katalysatoren im Chlor/Fluor (Cl/F) Austauschreaktionen für die Produktion von chlorofluorocarbon (CFC) Alternativen. Es wird als ein ausgezeichneter heterogener Katalysator für Fluorierung Reaktionen gegründet. Die Dismutierung von CCl2F2 wurde verwendet, um die Wirkung von Halogenierung von Chrom(III) Oxyd auf Cl/F-Austauschreaktionen zu untersuchen und um den Unterschied zwischen den inaktiven und aktiven Katalysatoren herauszufinden. Die heterogenen Reaktionen wurden in einem tubular-flow Ni Reaktor und auch unter simulierten Reaktionsbedingungen in einem Reaktor durchgeführt, wo nach der Reaktion die Photoelektronspektroskopie (XPS) und die Auger-Elektronspektroskopie (XAES) Analysen konnte direkt ohne Luftkontakt, unter so genannt "in - situ" Bedingungen gefolgt werden. Es wurde gezeigt, dass die Probleme der Behandlung von Cr (III) 2p Photoelektronenspektren so gelöst werden können, dass ihnen relevante Daten für die chemische Charakterisierung von Oberflächen entnommen werden können. Hochaufgelöste Photoelektronspektroskopie von Cr2O3 Pulverproben zeigte deutlich die Existenz von spektralen Strukturen, die mit Multiplet-Aufspaltungen im jeweiligen Cr 2p Spektrum verbunden sind. Das Spektrum kann durch eine Peakfit-Analyse vertieft interpretiert werden in dem die Anfangswerte für die Peakparameter der Multiplet-Strukturen den jeweiligen Cr L2,3 XANES Spektren entnommen werden. Vom theoretischen Gesichtspunkt sollte dasselbe Verfahren auch eine Analyse der Cr 2p Photoelektronenspektren von alpha-CrF3, CrCl3 und anderen Chrom (III) Verbindungen ermöglichen. Die Unterschiede, die im Experiment für die Cr2O3, alpha-CrF3 und CrCl Photoelektronenspektren beobachtet werden, deuten auf die Tatsache, dass, obwohl in all diesen Fällen dieselben Multiplet-Aufspaltungen für Cr3+ erwartet werden, individuelle Einflüsse der Symmetrie und Ligandenfelder die Endgestalt des jeweiligen Cr 2p Photoelektronenspektrums definieren. Eine Analyse von Cr 3s Spektren kann zusätzlich wertvolle Finger-print Informationen zu chemischen Zuständen von Chrom in Cr (III) Verbindungen erbringen. Sowohl ex-situ als auch ´´in-situ´´ ESCA zeigen, dass sobald CCl2F2 zu Cr2O3 an 390 °C geführt wird, Fluorierung sowie Chlorierung an der Katalysator-Oberfläche findet statt. Wenn die XPS Oberflächenzusammensetzung etwa 4 Atom - % Fluorierung und 6 Atom - %-Chlorierung erreicht, wird die maximale katalytische Aktivität erhalten. Die längeren Reaktionszeiten ändern bedeutsam die erhaltene Oberflächenzusammensetzung von aktiviertem Chrom(III) Oxyd nicht. Der Fluorierung und Chlorierung von Chrom(III) Oxyd wurden weiter durch verschiedenen HF und HCl Behandlungen ebenso untersucht. Die aktivierten Chrom(III) Oxyd Proben und Referenzproben mit der weithin bekannten chemischen Struktur wurden auch durch Kantennahe Röntegenabsorptionsuntersuchungen (XANES), Flugzeit-statischesekundärionenmassenspektroskopie (TOF-SSIMS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Fluor-Festkörper-NMR, Pyridin-FTIR, Nasschemie (F und Cl) Analyse, Pulver Röntgensbeugung (XRD) und Oberflächen (BET) Analyse untersucht. Die Ergebnisse der Referenzproben Cr2O3, Cr (OH) 3, CrF2 (OH), CrF3.3H2O, Alpha-CrF3, Beta-CrF3 und CrCl3 und aktivierte Cr2O3 Proben wurden verglichen. Die angewandten Charakterisierungsmethoden schlagen vor, dass die Bildung der Chrom-Oxydchlorid-Fluorid-Arten, bzw. Chrom-Oxyd Halogenide, an der Oberfläche ist genügend die katalytische Aktivität zu versorgen. Die Anwesenheit jedes CrF3 und/oder CrCl3 Phasen auf den aktivierten Chrom(III) Oxyd Proben wurde nicht entdeckt.
Abstract (eng):
The Cr2O3 is one of the most important catalysts in the chlorine/fluorine (Cl/F) exchange reactions for the production of chlorofluorocarbon (CFC) alternatives. It is established as an excellent heterogeneous catalyst for fluorination reactions. The dismutation of CCl2F2 was used to probe the effect of halogenation of chromia on Cl/F exchange reactions in order to find out the difference between the inactive and active catalysts. The heterogeneous reactions were performed in a continuous flow Ni reactor and also under simulated reaction conditions in a reactor where after the reaction the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the X-ray excited Auger electron spectroscopy (XAES) analyses could be followed directly without air contact, under so called ´´in-situ´´ conditions. In order to be able to apply the Cr(III) 2p XPS analysis in the proper manner the spectroscopic features of the chromium(III) compounds of O, F and Cl were re-investigated. Latest generation of XPS spectrometers, which are able to analyze non-conductive powders with ultimate energy resolution, were used to reveal multiplet splitting features and satellite emission in the Cr 2p spectra. The energy positions of the multiplets were determined by total electron yield (TEY)- X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. Using both high resolution XPS and XANES spectra a peak-fit analysis, which is also applicable for normally resolved Cr 2p XPS spectrum, was proposed. In order to overcome the known background problem by drawing the background in the broad Cr 2p window including the high binding energy satellite, a modified Shirley background, which is a combination of a linear and Shirley function, was used. Moreover, the spectroscopic features of the Cr(III) 3s XPS spectrum, which is relatively simpler than the Cr 2p one, were also surveyed. An alternative chemical analysis was proposed by using chemical state plots for Cr 3s. Both ex- and in-situ ESCA show that as soon as Cr2O3 is conducted to CCl2F2 at 390 °C fluorination as well as chlorination takes place at the catalyst surface. When the XPS surface composition reaches approximately 4 atom-% fluorination and 6 atom-% chlorination, maximum catalytic activity is obtained. Applying longer reaction times do not change significantly the obtained surface composition of the activated chromia. The fluorination and chlorination of chromia was further investigated by various HF and HCl treatments as well. The activated chromia samples and reference samples with well known chemical structure were also characterized by XANES, time of flight - static secondary ion mass spectroscopy (TOF-SSIMS), scanning electron microscopy (SEM), fluorine solid state NMR, pyridine-FTIR, wet chemical (F and Cl) analysis, X-ray powder diffraction (XRD) and surface area (BET) analysis. The results for the references Cr2O3, Cr(OH)3, CrF2(OH), CrF3.3H2O, alpha-CrF3, beta-CrF3 and CrCl3 and activated Cr2O3 samples were compared. The applied characterization methods suggest that the formation of chromium oxide chloride fluoride species, e.g. chromium oxide halides, at the surface is sufficient to provide catalytic activity. The presence of any CrF3 and/or CrCl3 phases on the activated chromia samples was not detected.
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Generiert am 30.09.2014, 08:18:06