Heterogene Katalyse

Die heterogene Katalyse beschreibt Prozesse, bei denen der Katalysator in einer anderen Phase vorliegt als die Reaktanden und Produkte. Die heterogene Katalyse beinhaltet vor allem Verfahren mit einem festen Katalysator und einem gasförmigen oder flüssigen Eduktstrom und Produktstrom. Der Katalysator kann so besser abgetrennt werden. Im Falle eines Festbettes muss gar keine Abtrennung erfolgen. Im Vergleich zur homogenen Katalyse weist die heterogene Katalyse in der Regel eine niedrigere Selektivität zu den gewünschten Produkten auf. Bei der heterogenen Katalyse wechselwirken nur die Atome an der Oberfläche des Katalysators mit dem Edukt. Eine hohe spezifische Oberfläche ist daher bei vielen Prozessen erwünscht.

Bei einer Reaktion am Katalysatorkorn laufen nacheinander sieben Schritte ab:

1. Eduktdiffusion durch die Filmdiffusionsschicht
2. Eduktdiffusion in der Pore des Katalysators
3. Adsorption des Edukts
4. Reaktion des Edukts zum Produkt
5. Desorption des Produkts
6. Produktdiffusion in der Pore des Katalysators
7. Produktdiffusion durch die Filmdiffusionsschicht

Abb. 1: Teilschritte einer heterogen-katalysierten Gasphasenreaktion

Beispiele heterogen katalysierter Reaktionen

Schwefelsäure (Kontaktverfahren), Katalysator: Vanadiumoxid
Ammoniak (Haber-Bosch-Verfahren), Katalysator: Eisenoxide auf Al₂O₃
Salpetersäure (Ostwaldverfahren), Katalysator: Pt-Rh-Netze
Kohlenwasserstoffgemische (Fischer-Tropsch-Synthese), Katalysator: Co, Fe, Ni, Ru auf Träger mit hoher spezifischer Oberfläche

Formen heterogener Katalysatoren und ihr Einsatz

Heterogene Katalysatoren können in verschiedenen Formen eingesetzt werden. Dabei bestimmen der Einsatz und die Reaktion die Form des meist festen Katalysators.

Pulverkatalysatoren werden in Wirbelschichten oder Rührkesseln eingesetzt. Sie dürfen sich dabei nicht zerreiben bzw. sollten anschließend gut filtrierbar sein.

Formkörperkatalysatoren kommen im Festbett zum Einsatz. Sie bestehen meist aus einem Träger mit einer hohen spezifischen Oberfläche, auf den die aktive Komponente aufgebracht wurde.

Monolithkatalysatoren bestehen aus einem Träger, auf den die aktive Komponente aufgebracht wurde. Der Monolith hat meist eine Wabenform mit großen, gleichmäßigen Kanälen. Der Monolith wird mit einem Washcoat beschichtet. Der Washcoat ist eine Suspension mit einem Material, das eine hohe spezifische Oberfläche besitzt. Auf den Washcoat wird anschließend die aktive Komponente aufgebracht.

Der Netzkatalysator besteht aus einem feinen Netz der aktiven Komponente. Die Edukte werden mit einer sehr kurzen Kontaktzeit durch das Netz geleitet.

Englische Übersetzung(en):

heterogeneous catalysis