5.2 Katalysatoraktivität als Funktion der Katalysatorsynthese
5.2.1 Platinkatalysatoren
5.2.1.5 Altern
In der oben vorgestellten Einrichtung zur Alterung von bis zu 16 Proben (siehe Kapitel 4.1.3) wurden mehrere der in Kapitel 5.2.1.2 (ab Seite 133) untersuchten Katalysatoren für 100 h bei 700 °C im Luftstrom mit 10 % Wasser gealtert und anschließend im Messstand unter Standardbedingungen auf ihre Aktivität überprüft. Der Übersichtlichkeit halber werden nicht alle Ergebnisse, sondern nur die für die Interpretation relevanten, in Tabelle 5-36 (Seite 146) präsentiert.
Alle gealterten Katalysatoren wiesen für die Umsetzung von CO und NO starke Aktivitätsverluste auf. Die Aktivitätsverluste für NO betrugen bei den Katalysatoren mit 0,5 Gew.-% Platin für alle Katalysatoren mehr als 60 % (61-63 %), für die Katalysatoren mit 1 Gew.-% Platin waren die
Aktivitätsverluste minimal geringer (40-60 %). Mit einem steigenden Anteil an Platin sinkt auch der Aktivitätsverlust in Bezug auf NO auf maximal 30 % (15-30 %) für die Katalysatoren mit 3 Gew.-% Platin.
Tabelle 5-36 Ergebnisse von kalzinierten und kalzinierten/gealterten Katalysatoren mit unterschiedlichen Platin- Massenanteilen und Vorläuferverbindungen.
Gew.-% Pt auf Al2O3-1
0,5 0,5 gealtert 1 1 gealtert 3 3 gealtert
LOTs [°C] von
T10 T50 T90 T10 T50 T90 T10 T50 T90 T10 T50 T90 T10 T50 T90 T10 T50 T90 P1) CO 138 183 198 211 233 250 110 165 181 176 213 231 73 143 160 136 169 187 Propan 270 322 381 308 359 -) 245 300 352 253 287 333 235 288 342 238 282 331 A
CO 104 184 207 216 240 258 113 166 182 191 220 235 99 163 175 161 187 201 Propan 290 357 -) 315 362 -) 234 291 343 262 297 346 226 280 335 240 283 337 B
CO 121 192 212 200 227 245 105 173 191 196 213 233 86 144 157 147 174 189 Propan 290 355 -) 308 351 -) 219 278 334 256 288 332 221 277 329 228 270 318 C
27 10 37 22 33 23 A
16 6 34 13 31 26 B
NO-Umsatz2)
24 9 37 17 34 27 C
0,5 0,5 gealtert 1 1 gealtert 3 3 gealtert
Gew.-% Pt auf Al2O3-1
1) Vorläuferverbindung, A = Pt-A; B = Pt-B, C = Pt-C, 2)NO-Umsatz über die gesamte Heizrampe; -) bis 500°C kein Umsatz in dieser Größe
Mit Pt-B präparierte Katalysatoren zeigen im kalzinierten und im kalzinierten/gealterten Zustand unabhängig vom Gehalt an Platin die niedrigstens Umsätze an NO, wobei sich die Werte für alle gealterten Katalysatoren einander nähern. Somit zeigen, wie in Abbildung 5-81 (Seite 146) zu sehen ist, die mit unterschiedlichen Vorläuferverbindungen präparierte Katalysatoren mit gleichem Platin-Gehalt nach der Alterung fast identische NO-Umsätze.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
NO [ppm]
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Temperatur [°C]
3Pt Pt-A gealtert 3Pt Pt-B gealtert 3Pt Pt-C gealtert
3Pt Pt-A 3Pt Pt-B 3Pt Pt-C
0.5Pt Pt-A gealtert 0.5Pt Pt-B gealtert 0.5Pt Pt-C gealtert
0.5Pt Pt-A 0.5Pt Pt-B 0.5Pt Pt-C
Temperatur
Abbildung 5-81 Verlauf der NO-Konzentration von mit Pt-A, Pt-B und Pt-C präparierten kalzinierten (,) und kalzinierten/gealterten ( ,) Katalysatoren mit 0,5 ( ) und 3 ( ) Gew.-% Platin; für alle Katalysatoren gilt: Träger Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Für die T50- und T90-LOTs von CO ergibt sich ein ähnliches Bild. Für die Katalysatoren mit
Katalysatoren mit mehr als 1 Gew.-% Platin beträgt der Unterschied bis zu 21 %. Für die T10 -LOTs sind die Unterschiede deutlich größer, hier findet für einen Großteil der gefundenen -LOTs fast eine Verdopplung statt. Aufgrund der Auswertung ist die so bestimmte LOT für 10 % jedoch stark fehlerbehaftet, da für die automatisierte Auswertung von einem linearen Konzentrationsverlauf an CO ausgegangen wird (vergleiche Kapitel 5.1.10, ab Seite 107), der aber nicht immer gegeben ist (siehe auch Abbildung 5-86 bis Abbildung 5-89, ab Seite 149).
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
1 4 7 10 13 16 19 22 25
Zyklus Nr.
T50-CO-Light-Off [°C]
3Pt Pt-A gealtert 3Pt Pt-B gealtert 3Pt Pt-C gealtert
3Pt Pt-A 3Pt Pt-B 3Pt Pt-C
0.5Pt Pt-A gealtert 0.5Pt Pt-B gealtert 0.5Pt Pt-C gealtert 0.5Pt Pt-A 0.5Pt Pt-B 0.5Pt Pt-C
Abbildung 5-82 Verlauf der T50-CO-LOTs der mit Pt-A, Pt-B und Pt-C präparierten kalzinierten (,) und kalzinierten/gealterten (,) Katalysatoren mit 0,5 () und 3 () Gew.-% Platin; für alle Katalysatoren gilt: Träger Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Der Verlauf der CO-Konzentration legt aber auf jeden Fall eine starke Reduzierung der Aktivität beziehungsweise der Zündtemperatur für die gealterten Katalysatoren nahe.
Die kalzinierten/gealterten Katalysatoren weisen insbesondere bei CO-LOTs ein weniger ausgeprägtes Einfahrverhalten als die kalzinierten Katalysatoren auf. Dies deutet darauf hin, dass bei der Reaktion nicht nur durch Alterung induzierte Effekte wie Verlust der BET-Oberfläche und Dispersion des Platins, sondern auch der im Reaktionsfeed vorhandene Schwefel eine Rolle spielen. Dies wird insbesondere in der Entwicklung der T50-CO-LOTs mit steigender Zyklenzahl deutlich (Abbildung 5-82, Seite 147).
Die mit den Vorläuferverbindungen Pt-A und Pt-C präparierten Katalysatoren mit mehr als 1 Gew.-% Platin zeigten auch nach der Alterung ein signifikantes Einfahrverhalten. Erst nach ~10 Zyklen werden konstante T50-CO-LOTs erreicht, für Platingehalte unter 1 Gew.-% erreichen alle Katalysatoren sofort ihre minimal mögliche LOT.
Abbildung 5-83 zeigt die ermittelten T50-Propan-LOTs. Die T10- und T50-Propan-LOTs aller Katalysatoren unterscheiden sich im Rahmen des Messgenauigkeit nach über 25 Zyklen nicht mehr stark voneinander (siehe Tabelle 5-36, Seite 146). Auffällig ist jedoch, dass für die ersten 10 bis 15 Zyklen für die mit Pt-A und Pt-B präparierten, kalzinierten/gealterten Katalysatoren keine
T50-Propan-LOTs gefunden und konstante T50-Propan-LOTs erst nach über 20 Zyklen erreicht werden (siehe Abbildung 5-83).
140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480
1 4 7 10 13 16 19 22 25
Zyklus Nr.
T50-Propan-Light-Off [°C]
3Pt Pt-A gealtert 3Pt Pt-B gealtert 3Pt Pt-C gealtert
3Pt Pt-A 3Pt Pt-B 3Pt Pt-C
0.5Pt Pt-A gealtert 0.5Pt Pt-B gealtert 0.5Pt Pt-C gealtert 0.5Pt Pt-A 0.5Pt Pt-B 0.5Pt Pt-C
Abbildung 5-83 Verlauf der T50-Propan-LOTs von mit Pt-A, Pt-B und Pt-C präparierten kalzinierten (,) und kalzinierten/gealterten (,) Katalysatoren mit 0,5 (,) und 3 (,) Gew.-% Platin; für alle Katalysatoren gilt: Träger Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Abbildung 5-84 zeigt den Verlauf der Propan-Konzentration für verschiedene Zyklen über den gesamten Messverlauf eines kalzinierten und eines kalzinierten/gealterten Katalysators auf Basis von Pt-B auf Al2O3-1. Es ist deutlich zu sehen, dass der gealterte Katalysator bis zum Zyklus Nr. 9 keine 50 % Umsatz an Propan bis zum Erreichen des Endes der Heizrampe erreicht. Mit steigender Zyklenzahl steigt der Umsatz an Propan und somit sinkt auch die T50-Propan-LOT für den kalzinierten/gealterten Katalysator.
0 10 20 30 40 50
80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
Propan-Konzentration [ppm]
0.5Pt-B gealtert Z3 Z3 kalz.
0.5Pt-B gealtert Z9 Z9 kalz.
0.5Pt-B gealtert Z15 Z15 kalz.
0.5Pt-B gealtert Z21 Z21 kalz.
0.5Pt-B gealtert Z27 Z27 kalz.
Z = Zyklus Nr.
Abbildung 5-84 Verlauf der Propan-Konzentration eines kalzinierten () und eines kalzinierten/gealterten () Katalysators mit 0,5 Gew.-% Platin aus Pt-B auf Al2O3-1 für verschiedene Zyklen;
Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Für den kalzinierten Katalysator ergibt sich das gegenteilige Bild. Hier nimmt der Umsatz an Propan mit steigender Zyklenzahl ab, die T -Propan-LOT nimmt somit leicht zu. Beide
Katalysatoren nähern sich mit steigender Zyklenzahl einem gemeinsamen Verlauf (siehe Zyklus 27 in Abbildung 5-84 für beide Katalysatoren) an.
Der in Abbildung 5-84 dargestellte Verlauf für einen 0,5 Gew.-% Katalysator lässt sich auf einen Katalysator mit 3 Gew.-% Platin (siehe Abbildung 5-85), aber auch auf die anderen in Tabelle 5-36 (Seite 146) aufgeführten Katalysatoren übertragen.
0 10 20 30 40 50
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Zeit [s]
Propan-Konzentration [ppm]
3Pt-B gealtert Z3 Z3 kalz.
3Pt-B gealtert Z9 Z9 kalz.
3Pt-B gealtert Z15 Z15 kalz.
3Pt-B gealtert Z21 Z21 kalz.
3Pt-B gealtert Z27 Z27 kalz.
Z = Zyklus Nr.
Abbildung 5-85 Verlauf der Propan-Konzentration eines kalzinierten () und eines kalzinierten/gealterten () Katalysators mit 3 Gew.-% Platin aus Pt-B auf Al2O3-1 für verschiedene Zyklen; Reaktionsbedingungen:
siehe Tabelle 5-1.
Die unten aufgeführten Ergebnisse in Abbildung 5-86 bis Abbildung 5-89 verdeutlichen noch einmal die Unterschiede in den Konzentrationsverläufen von kalzinierten und kalzinierten/gealterten Katalysatoren mit 0,5 und 3 Gew.-% Platin aus Pt-A und Pt-B auf Al2O3-1.
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
Konzentration [ppm]
3Pt-A NO 3Pt-A NO gealtert 3Pt-A CO 3Pt-A CO gealtert 3Pt-A Propan 3Pt-A Propan gealtert
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
Konzentration [ppm]
3Pt-B NO 3Pt-B NO gealtert 3Pt-B CO 3Pt-B CO gealtert 3Pt-A Propan 3Pt-B Propan gealtert
Abbildung 5-86 Vergleich der Konzentrations-verläufe eines kalzinierten () und kalzinierten/
gealterten () Katalysators mit 3 Gew.-% Platin aus Pt-A auf Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Abbildung 5-87 Vergleich der Konzentrations-verläufe eines kalzinierten () und kalzinierten/
gealterten () Katalysators mit 3 Gew.-% Platin aus Pt-B auf Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
In allen Verläufen ist der deutliche Aktivitätsverlust beim Umsatz aller Komponenten erkennbar.
Es wird auch deutlich, dass sowohl die Aktivitätsverluste bei der Verwendung von Pt-B als
Vorläuferverbindung allgemein geringer ausfallen, als auch dass mit kleiner werdender Platinbelegung die Aktivität der Katalysatoren überproportional zurückgeht.
Die hier aufgeführten Ergebnisse zeigen Erhöhungen in den LOTs für CO von bis zu 60 °C, für die LOTs von Propan werden nach rund 30 Zyklen nur geringe Unterschiede festgestellt. Es bleibt jedoch anzumerken, dass T50-LOTs der gealterten Katalysatoren für Propan während der ersten Messungen nicht zu ermitteln sind (siehe Abbildung 5-84, Seite 148), sich langsam den LOTs der nur kalzinierten Katalysatoren annähern, um dann zum Ende der Messungen kaum noch voneinander unterscheidbar zu sein.
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
Konzentration [ppm]
0.5Pt-A NO 0.5Pt-A NO gealtert 0.5Pt-A CO 0.5Pt-A CO gealtert 0.5Pt-A Propan 0.5Pt-A Propan gealtert
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Zeit [s]
Konzentration [ppm]
0.5Pt-B NO 0.5Pt-B NO gealtert 0.5Pt-B CO 0.5Pt-B CO gealtert 0.5Pt-B Propan 0.5Pt-B Propan gealtert
Abbildung 5-88 Vergleich der Konzentrations-verläufe eines kalzinierten () und kalzinierten/
gealterten () Katalysators mit 0,5 Gew.-% Platin aus Pt-A auf Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Abbildung 5-89 Vergleich der Konzentrations-verläufe eines kalzinierten () und kalzinierten/
gealterten () Katalysators mit 0,5 Gew.-% Platin aus Pt-B auf Al2O3-1; Reaktionsbedingungen: siehe Tabelle 5-1.
Die hier aufgetretenen Tendenzen zeigen sich auch in den oben genannten Kalzinierungs-bedingungen. Die auf 700 °C erhöhte Kalzinierungstemperatur ergab dort bis zu 40 °C höhere T50-CO-LOTs. Dieses Verhalten lässt sich unter anderem auf die Sinterung von Metall und Trägeroxid zurückführen. Durch das Sintern des Platins verringert sich die dessen Dispersität.
Somit steigt die Partikelgröße und die Zahl der Aktivzentren geht zurück.
Durch Sintern des Trägers (in diesem Fall γ-Al2O3) findet eine Zerstörung der Porenstruktur statt, Dadurch können Aktivzentren in den sich schließenden Poren der Reaktion mit dem Abgasfeed entzogen werden und die Aktivität wird negativ beeinflusst (siehe unter anderem Kapitel 2.6.2).
Eine weitere Erklärung wäre eine Deaktivierung der Pt/Al2O3-Katalysatoren durch starke Metall-Träger-Wechselwirkungen. Solche Effekte sind für Rh/Al2O3-Katalysatoren festgestellt worden [273]. Dort konnte zudem beobachtet werden, dass die Aktivität durch diesen Effekt mit steigender Kalzinierungstemperatur stark verringert wurde. Die dort angesprochenen Trends treffen auch auf die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Katalysatoren mit unterschiedlichen Platin-Gehalten (0,75, 1,5, 3 und 5 Gew.-%) zu.