che501 - Heterogene Katalyse und Werkstoffe (Vollständige Modulbeschreibung)

B.Sc.
Erfolgreiche Teilnahme am Modul „Technische Chemie“

Die Studierenden erlernen die Grundlagen der heterogenen Katalyse, wobei der Bogen von den Elementarschritten bis zu Prinzipien der Formgebung gespannt wird, und erhalten eine Einführung in die Chemie wichtiger Werkstoffe.
Ziel der Veranstaltungen ist die Vermittlung von Denkweisen, die auf unterschiedlichen Hierarchien der Katalysator- und Werkstoffentwicklung erforderlich sind. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Besonderheiten der interdisziplinären Kommunikation gelegt, die sich aus den unterschiedlichen Denkansätzen von Wissenschaftlern und Ingenieuren ergibt. Damit sollen die Studenten auf ihren späteren Einsatz in projektbasierten, interdisziplinären Gruppen vorbereitet werden. Weitere Schwerpunkte sind die Vermittlung von Aspekten der Katalyse unter dem Gesichtspunkt der ökonomischen Rahmenbedingungen und das Erlernen von chemischen Denkweisen in einem alltäglichen betriebswirtschaftlichen Umfeld.

Aufbauend auf die Kenntnisse der Adsorptiv-Adsorbens-Wechselwirkungen werden die Unterschiede zur homogenen Katalyse herausgearbeitet. Der Ansatz des limitierenden Schrittes wird in mehreren Fallbeispielen vorgestellt, wobei die Auswirkungen für das finale Design des Katalysators im Mittelpunkt stehen. Besonderes Augenmerk wird auf Probleme der Maßstabsübertragung vom Labor auf größere Einheiten gelegt. An ausgewählten Beispielen wird die Klassifizierung von heterogenen Katalysatoren diskutiert. Am Beispiel von kristallinen Alumosilikaten werden Synthese, Modifizierung und Anwendung von Katalysatoren dargestellt. Verschiedene thermische (TPD, TPR) und spektroskopische Charakterisierungsmethoden (FTIR, UV-Vis, MAS-NMR) für heterogene Systeme werden ebenfalls vorgestellt. An Hand von Fallbeispielen werden moderne industrielle Verfahren vorgestellt, wobei die betriebswirtschaftliche Betrachtung und deren Konsequenzen für die Verfahrensgestaltung im Vordergrund stehen.
In einer gesonderten Vorlesung werden Grundkenntnisse der Werkstoffkunde sowohl im Hinblick auf Verfahren zur Werkstoff-Testung (z.B. mechanische Eigenschaften) als auch (im Schwerpunkt) auf die chemische Zusammensetzung und daraus resultierenden Eigenschaften von Polymeren, Keramiken, Gläser, Stähle und Legierungen vermittelt.

Im Praktikum wird die Herstellung von Katalysatoren erlernt. Beispielhaft wird die ökonomische Verwertung von Zwangskoppelprodukten z.B. bei der Herstellung von Fettalkoholen diskutiert. Es werden Einblicke in technisch-relevante Photokatalyse- und Elektrokatalyse-Verfahren (in Planung) gegeben.
Es sind mind. 4 Versuche zu absolvieren, u.a. können derzeit gewählt werden:
-Synthese eines zeolithischen Katalysators (MFI-Typ), Kalzinierung, Belegung und Trocknung des Katalysators;
-Charakterisierung des Katalysators mittels einer Adsorptionsapparatur;
-Austestung des Katalysators mit Hilfe einer Hydroisomerisierung;
-Untersuchungen zur makrokinetischen Beeinflussung mittels einer chemischen Reaktion,

• Photokatalytische Wasserstoff-Erzeugung.

I. Chorkendorff, J.W. Niemantsverdriet, „Concepts of Modern Catalysis and
Kinetics“, Wiley-VCH 2003
J.M. Thomas, W.J. Thomas, „Principles and Practice of Heterogeneous
Catalysis“, Wiley-VCH, 1997
H. Bremer, K.-P. Wendlandt, „Heterogene Katalyse" Eine Einführung, Akademie Verlag, 1978
W. Göpel, Chr. Ziegler, „Einführung in die Materialwissenschaften“, B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, 1996.

Weitere Literatur wird in der Veranstaltung bekannt gegeben

Vorlesungsunterlagen über StudIP

Am Ende des Moduls

Abhängig von der Teilnehmer/innenzahl mündliche Prüfung von maximal 45 Minuten oder Klausur zu den Inhalten der Vorlesungen,
Protokolle zu den Praktikumsversuchen (unbenotet),
Bericht zur Exkursion (unbenotet)