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DE102011076347A1 - System for contactless conductivity measurement of heterogeneous catalysts under reaction conditions - Google Patents

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DE102011076347A1
DE102011076347A1 DE201110076347 DE102011076347A DE102011076347A1 DE 102011076347 A1 DE102011076347 A1 DE 102011076347A1 DE 201110076347 DE201110076347 DE 201110076347 DE 102011076347 A DE102011076347 A DE 102011076347A DE 102011076347 A1 DE102011076347 A1 DE 102011076347A1
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DE
Germany
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resonator
reactor
sample
microwave
catalyst sample
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE201110076347
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German (de)
Inventor
Maik Eichelbaum
Annette Trunschke
Prof. Dr. Schlögl Robert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority to DE201110076347 priority Critical patent/DE102011076347A1/en
Priority to PCT/EP2012/059590 priority patent/WO2012160089A1/en
Publication of DE102011076347A1 publication Critical patent/DE102011076347A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Ein System zur Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen umfasst einen Resonator (2, 2', 20, 20') für Mikrowellen, innerhalb dessen ein Reaktor (3) mit einer Aufnahmestelle (4) für eine heterogene Katalysatorprobe (P) angeordnet ist, wobei der Resonator mit einer Mikrowellenquelle (10) verbunden ist und der Reaktor an einem Ende mit einer Quelle für Reaktionsgase verbindbar und am anderen Ende an eine Gasanalysevorrichtung (GC) anschließbar ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen umfasst Schritte, in denen eine Katalysatorprobe in einen Reaktor gelegt und dieser in einen Mikrowellenresonator eingebracht wird, die Katalysatorprobe auf Reaktionstemperatur erhitzt wird, die Katalysatorprobe mit Mikrowellen angeregt wird, und das Resonanzspektrum der Katalysatorprobe erfasst wird.A system for measuring the conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions comprises a resonator (2, 2 ', 20, 20') for microwaves, within which a reactor (3) with a receiving point (4) for a heterogeneous catalyst sample (P) is arranged, wherein the resonator is connected to a microwave source (10) and the reactor can be connected at one end to a source for reaction gases and at the other end to a gas analysis device (GC). A method according to the invention for measuring the conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions comprises steps in which a catalyst sample is placed in a reactor and this is introduced into a microwave resonator, the catalyst sample is heated to the reaction temperature, the catalyst sample is excited with microwaves, and the resonance spectrum of the catalyst sample is recorded .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur kontaktlosen Messung elektrischer Eigenschaften, insbesondere der komplexen Permittivität und Leitfähigkeit von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen sowie das zugehörige Verfahren.The present invention relates to a system for contactless measurement of electrical properties, in particular the complex permittivity and conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions and the associated method.

Stand der TechnikState of the art

Elektrische Leitfähigkeitsmessungen sind ein wichtiges spektroskopisches Hilfsmittel in der heterogenen Katalyse, um das Verhältnis zwischen der katalytischen Leistung und den elektronischen Eigenschaften von Katalysatoren zu untersuchen. Insbesondere kann die Reaktionsrate für die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen durch elektronische und/oder ionische Transporteigenschaften begrenzt werden, d. h. beispielsweise durch den Transfer von Elektronen oder Löchern (in anderen Worten der Oxidation oder Reduktion der Übergangsmetall-Ionen des Katalysators), von Wasserstoff- oder Sauerstoffatomen aus der Katalysatoroberfläche (oder sogar darunter liegenden Bereichen) zum Substrat (dem Kohlenwasserstoff) und umgekehrt. Die Oxidation von n-Butan zu Maleinsäure-Anhydrid ist nur ein Beispiel einer kommerziell wichtigen und bereits auf industrieller Skala angewandten Reaktion, die in einem einzigen Durchgang den Entzug von acht Wasserstoffatomen, den Einbau von drei Sauerstoffatomen und den Transfer von 14 Elektronen erfordert (siehe zum Beispiel Millet J. M. M., Topics on Catalysis 2006, vol. 38, S. 83 bis 92 ) und stellt damit hohe Anforderungen an den Katalysator. Nimmt man als Oxidationskatalysator zum Beispiel Vanadylpyrophosphat (VPP), so gehen gegenwärtige Studien davon aus, dass die in das oxidierte Produkt eingebauten Sauerstoffatome aus dem Katalysatorgitter kommen. Daher wurde vorgeschlagen, VPP als „festen Reaktanden” zu beschreiben, der n-Butan in Maleinsäure-Anhydrid oxidieren kann und durch molekularen Sauerstoff wieder re-oxidiert werden muss. Daraus ergibt sich, dass diese anspruchsvolle Reaktion, welche Adsorption, Dissoziation (Oberflächenreaktion), Sauerstoffdiffusion und Ladungstransfer umfasst, einen Katalysator mit einer guten elektronischen, Sauerstoff- und selbst Protonenleitfähigkeit erfordert. Aus diesem Grund ist es notwendig, die elektronische und ionische Leitfähigkeit der Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen (in situ) präzise zu bestimmen und ein Verständnis für den Einfluss dieser Leitfähigkeiten auf die katalytische Leistungsfähigkeit zu entwickeln, um solche komplexen Reaktionsabläufe besser verstehen zu können.Electrical conductivity measurements are an important spectroscopic tool in heterogeneous catalysis to study the relationship between catalytic performance and the electronic properties of catalysts. In particular, the rate of reaction for the selective oxidation of hydrocarbons may be limited by electronic and / or ionic transport properties, eg, by the transfer of electrons or holes (in other words, the oxidation or reduction of the transition metal ions of the catalyst), hydrogen or oxygen atoms from the catalyst surface (or even below it) to the substrate (the hydrocarbon) and vice versa. The oxidation of n-butane to maleic anhydride is just one example of a commercially important and already industrial-scale reaction that requires the depletion of eight hydrogen atoms, the incorporation of three oxygen atoms, and the transfer of 14 electrons in a single pass (see for example Millet JMM, Topics on Catalysis 2006, vol. 38, pp. 83 to 92 ) and thus places high demands on the catalyst. If, for example, vanadyl pyrophosphate (VPP) is taken as the oxidation catalyst, current studies assume that the oxygen atoms incorporated into the oxidized product come from the catalyst lattice. Therefore, it has been proposed to describe VPP as a "solid reactant" which can oxidize n-butane to maleic anhydride and must be re-oxidized by molecular oxygen. As a result, this demanding reaction involving adsorption, dissociation (surface reaction), oxygen diffusion, and charge transfer requires a catalyst with good electronic, oxygen, and even proton conductivity. For this reason, it is necessary to precisely determine the electronic and ionic conductivity of the catalysts under reaction conditions (in situ) and to develop an understanding of the influence of these conductivities on the catalytic performance in order to better understand such complex reaction processes.

Wie erwähnt, müssen zur Bestimmung der tatsächlichen Zusammenhänge zwischen der Leitfähigkeit (oder allgemein jeder weiteren elektronischen Eigenschaft des Katalysators) und seiner katalytischen Aktivität und Selektivität auf ein spezifisches Produkt Messungen unter Reaktionsbedingungen durchgeführt werden. Hierzu sind im Stand der Technik auf Kontakt mit dem Katalysator basierende Verfahren bekannt, bei der die Leitfähigkeit und die katalytische Leistung simultan unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen gemessen werden. So ist aus Hermann, J. M. et al, Journal of Catalysis 1997, 167, 106–117 ein schematisch in 1 gezeigtes Messverfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von VPP- und VPO-Katalysatoren bekannt, bei der ein pulverförmiger Katalysator 103 zwischen zwei aus Platin bestehenden Elektroden 101 einer Messzelle eingelegt und mithilfe einer Druckfeder 102 komprimiert wird, um einen ausreichenden elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Partikeln des pulverförmigen Katalysators 103 herzustellen und gleichzeitig eine ausreichend gute Wechselwirkung zwischen den zu oxidierenden Gasen (Reaktanden) und dem Katalysator sicherzustellen. Die Leitfähigkeitszelle wird zur Durchführung des katalytischen Tests in einem Mikroreaktor 100 mit den Reaktionsgasen unter vorgegebenen Druck- und Temperaturbedingungen umströmt und die Reaktanden und Produkte mithilfe von Gaschromatographie analysiert. Gleichzeitig werden durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung Vi an der Messzelle elektrische Widerstände aufgezeichnet. Vom Prinzip her ähnliche Messverfahren sind auch in dem bereits genannten Fachartikel von Millet sowie in Sartoni, L. et al, Journal of Materials Chemistry 2006, 16, 4348 bis 4360 beschrieben.As noted, in order to determine the actual relationships between the conductivity (or, more generally, any other electronic property of the catalyst) and its catalytic activity and selectivity to a specific product, measurements under reaction conditions must be made. For this purpose, methods known in the art for contact with the catalyst are known in which the conductivity and catalytic power are measured simultaneously under actual operating conditions. That's how it is Hermann, JM et al, Journal of Catalysis 1997, 167, 106-117 a schematic in 1 shown measuring method for determining the electrical conductivity of VPP and VPO catalysts, wherein a powdered catalyst 103 between two platinum electrodes 101 a measuring cell inserted and using a compression spring 102 is compressed to a sufficient electrical contact between the individual particles of the powdered catalyst 103 while ensuring a sufficiently good interaction between the gases (reactants) to be oxidized and the catalyst. The conductivity cell is used to perform the catalytic test in a microreactor 100 flows around the reaction gases under predetermined pressure and temperature conditions and analyzed the reactants and products using gas chromatography. At the same time electrical resistances are recorded by applying a high-frequency AC voltage V i to the measuring cell. Principle-like measuring methods are also in the already mentioned By Millet and in Sartoni, L. et al., Journal of Materials Chemistry 2006, 16, 4348-4360 described.

Aus dem Artikel von Rouvet, F. et al, Journal of the Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, 90, 1441 bis 1448 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die elektrischen Eigenschaften von VPP- sowie VPO-Katalysatoren mit anderen physikochemischen Techniken wie in situ Raman-Spektroskopie oder EPR verglichen werden, wobei auch hier wieder zur Messung der Leitfähigkeit die heterogenen Katalysatoren zwischen zwei Platinelektroden unter konstantem Druck komprimiert und die Temperatur sowie die elektrische Leitfähigkeit während verschiedener Katalysezyklen der Reaktandengase gemessen wird.From the Article by Rouvet, F. et al., Journal of the Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, 90, 1441-1448 a method is known in which the electrical properties of VPP and VPO catalysts are compared with other physicochemical techniques such as in situ Raman spectroscopy or EPR, again for the measurement of conductivity, the heterogeneous catalysts between two platinum electrodes under constant pressure compressed and measuring the temperature and electrical conductivity during various catalytic cycles of the reactant gases.

Aus dem Artikel von Rihko-Struckmann L. K. et al, Catalysis Letters, 2006, 109, 89 bis 96 ist schließlich ein vergleichbares Verfahren zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von VPO-Katalysatoren bekannt, bei dem zunächst ein Katalysatorvorläuferpulver zu Scheiben gepresst und durch PVD an den beiden flachen Oberflächen der Scheiben mit dünnen Platinelektroden beschichtet wird. Mithilfe von elektrochemischer Impedanzspektroskopie werden dann die Impedanzspektren der VPO-Scheiben bei unterschiedlichen Temperaturen und verschiedenen Gasströmungen in einem rohrförmigen elektrochemischen Membranreaktor gemessen, und die Analyse der Gase wie in den bereits genannten Schriften durch Gaschromatographie durchgeführt wird.From the Article by Rihko-Struckmann LK et al, Catalysis Letters, 2006, 109, 89-96 Finally, a comparable method for determining the electrical conductivity of VPO catalysts is known in which first a catalyst precursor powder is pressed into slices and coated by PVD on the two flat surfaces of the slices with thin platinum electrodes. With the aid of electrochemical impedance spectroscopy, the impedance spectra of the VPO disks then become different Measured temperatures and different gas flows in a tubular electrochemical membrane reactor, and the analysis of the gases as in the aforementioned writings by gas chromatography is performed.

Die genannten Verfahren messen den Gleich oder Wechselstromwiderstand bis zu einer Frequenz von 1 Megahertz in Proben, die mit zwei bzw. vier Elektroden in Kontakt stehen. Während die Zweipunktemessung bei Katalyse-Experimenten weit verbreitet ist, besitzt sie den schwerwiegenden Nachteil, dass sie sehr stark von der Qualität des Kontakts zwischen den Elektroden und dem Katalysatorpulver abhängt, da ein schlechter Kontakt und somit ein hoher Kontaktwiderstand die gemessenen Daten beträchtlich verfälscht. Außerdem ist besonders im Fall der typischerweise verwendeten Pulverkatalysatoren ein guter und reproduzierbarer Kontakt schwer zu erzielen, vor allem wenn das Probenvolumen und/oder die Geometrie sich unter den Reaktionsbedingungen aufgrund von Sinterung, Wasserverlust usw. ändert. Vierpunktmessungen könnten dieses Problem im Prinzip lösen, jedoch sind sie in einem katalytischen Reaktor schwer umzusetzen. Zudem würde hier die Elektrodenpolarisierung die Interpretation der Messdaten erschweren. Ein weiterer typischer Problempunkt bei der Katalyse ist die Diffusion von katalytisch aktiven oder inhibierenden Verunreinigungen aus den Metallelektroden, die nämlich zumeist aus Platin und Eisen bestehen, in die Probe.The above methods measure the DC or AC resistance up to a frequency of 1 megahertz in samples in contact with two and four electrodes, respectively. While the two-point measurement is widely used in catalysis experiments, it has the serious drawback that it depends very much on the quality of the contact between the electrodes and the catalyst powder, as poor contact and thus high contact resistance significantly distorts the measured data. In addition, especially in the case of the typically used powder catalysts, good and reproducible contact is difficult to achieve, especially if the sample volume and / or geometry changes under the reaction conditions due to sintering, water loss, etc. Four-point measurements could solve this problem in principle, but they are difficult to implement in a catalytic reactor. In addition, electrode polarization would make it difficult to interpret the measured data. Another typical problem with catalysis is the diffusion of catalytically active or inhibiting impurities from the metal electrodes, which are mostly platinum and iron, into the sample.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die gleichzeitige Messung der Leitfähigkeit sowie der katalytischen Leistung von Katalysatoren, insbesondere halbleitenden heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen (in situ) bei hohen Temperaturen zu erlauben, ohne den Katalysator durch Anbringen von Elektroden kontaktieren zu müssen. Die Reaktionsbedingungen sind dabei solche Bedingungen, unter denen die Katalysereaktion eine nachweisbare Effizienz zeigt.It is thus an object of the present invention to allow the simultaneous measurement of the conductivity and the catalytic performance of catalysts, in particular semiconducting heterogeneous catalysts under reaction conditions (in situ) at high temperatures, without having to contact the catalyst by attaching electrodes. The reaction conditions are those conditions under which the catalytic reaction shows a detectable efficiency.

Um diese Aufgabe zu lösen, basiert die vorliegende Erfindung auf der Einsicht, dass die Leitfähigkeitsbestimmung kontaktlos durch Anregung des Katalysators mithilfe von Mikrowellen und Aufzeichnung des entsprechenden Resonanzspektrums gemessen werden kann, wobei eine derartige Messung problemlos unter Reaktionsbedingungen durchführbar ist. In polykristallinen Halbleitern niedriger Leitfähigkeit, welche aus leitenden und isolierenden Bereichen bestehen, ist nämlich der Transport der Ladungsträger gewöhnlich durch die isolierenden Barrieren an den Korngrenzen der leitenden Körner begrenzt. Die Gleichstromleitfähigkeit wird somit hauptsächlich durch die Höhe und Breite der Barrieren an den Korngrenzen bestimmt, nicht aber durch die intrinsischen elektronischen Eigenschaften der Körner an sich. Im Gegensatz dazu werden bei Wechselstrommessungen, und somit insbesondere Mikrowellen-Messungen, die Korngrenzen mit steigender Frequenz zunehmend durch kapazitive Kopplung zwischen den leitenden Körnern überbrückt, so dass bei hohen Frequenzen die tatsächliche Leitfähigkeit der Körner bestimmt werden kann. Alternativ kann der Ladungsträgertransport mithilfe eines Hüpfmechanismus beschrieben werden, bei dem die Elektronenleitung auf atomarer Skala durch ein aktiviertes Hüpfen von Ladungsträgern zwischen lokalisierten Zuständen gekennzeichnet ist. Sowohl das Barrieremodell wie auch das Hüpfmodell beschreiben die Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen mit der Gleichung σAC(ω) = σDC + Aωs, (1) wobei s im Bereich von 0 bis 2 liegt (normalerweise in der Nähe von 1), die Konstante A geringfügig von der Temperatur abhängt und ω die Winkelgeschwindigkeit ist. Während sich die Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen der Gleichstromleitfähigkeit und somit der Leitfähigkeit zwischen den Körnern nähert, nähert sie sich im Hochfrequenzenbereich der Bulk-Leitfähigkeit der leitfähigen Körner an. Somit sollten Messungen bei Mikrowellenfrequenzen ideal für die Bestimmung der intrinsischen Eigenschaften von polykristallinen Materialien geeignet sein, wie zum Beispiel heterogenen Katalysatoren. Es ist dementsprechend wünschenswert, die Leitfähigkeit über einen breiten Frequenzbereich zu messen, um so ein Verständnis der elektronischen Eigenschaften der Körner, der Korngrenzbereiche und der Oberflächen des polykristallinen Halbleiters zu verstehen. Ein großer Vorteil der Messungen bei hohen Frequenzen ist, dass die Signale drahtlos zwischen Sender und Empfänger übermittelt werden können und dementsprechend perfekt für berührungslose Verfahren geeignet sind. Im Prinzip kann die Wechselwirkung zwischen Radio- oder Mikrowellen und einem Material mit einem Messaufbau untersucht werden, der entweder eine Freifeld-Antenne oder einen Resonator einsetzt ( Chen, L.-F. et al, Microwave Electronics. Measurement and Material Characterization, Wiley 2004, 493–530 ). Da das zuerst genannte nicht-resonante Verfahren nur für ebene Probengeometrien geeignet ist, während sich die Resonator-Technik durch nahezu keine Einschränkungen hinsichtlich der Form der Probe sowie durch eine sehr hohe Empfindlichkeit auszeichnet, konzentriert sich die vorliegende Erfindung auf die Messung der elektrischen Eigenschaften von Katalysatoren mithilfe der Resonator-Technik.To achieve this object, the present invention is based on the insight that the conductivity determination can be measured without contact by excitation of the catalyst by means of microwaves and recording of the corresponding resonance spectrum, such a measurement being easily carried out under reaction conditions. Namely, in polycrystalline low-conductivity semiconductors consisting of conductive and insulating regions, the transport of the carriers is usually limited by the insulating barriers at the grain boundaries of the conductive grains. The DC conductivity is thus determined mainly by the height and width of the barriers at the grain boundaries, but not by the intrinsic electronic properties of the grains per se. In contrast, in AC measurements, and thus in particular microwave measurements, the grain boundaries with increasing frequency are increasingly bridged by capacitive coupling between the conductive grains, so that at high frequencies the actual conductivity of the grains can be determined. Alternatively, charge carrier transport can be described using a hopping mechanism in which the electron conduction is characterized on an atomic scale by an activated hopping of charge carriers between localized states. Both the barrier model and the hopping model describe the frequency dependence of the conductivity at low frequencies with the equation σ AC (ω) = σ DC + Aω s , (1) where s is in the range of 0 to 2 (normally close to 1), the constant A is slightly dependent on the temperature and ω is the angular velocity. As the conductivity approaches the DC conductivity at low frequencies, and thus the conductivity between the grains, it approaches the bulk conductivity of the conductive grains in the high frequency range. Thus, measurements at microwave frequencies should be ideally suited for determining the intrinsic properties of polycrystalline materials, such as heterogeneous catalysts. Accordingly, it is desirable to measure conductivity over a wide range of frequencies so as to understand the electronic properties of the grains, grain boundaries and polycrystalline semiconductor surfaces. A big advantage of measurements at high frequencies is that the signals can be transmitted wirelessly between transmitter and receiver and are therefore perfectly suited for non-contact methods. In principle, the interaction between radio or microwaves and a material with a measuring setup that uses either a free-field antenna or a resonator ( Chen, L.-F. et al., Microwave Electronics. Measurement and Material Characterization, Wiley 2004, 493-530 ). Since the first-mentioned non-resonant method is suitable only for planar sample geometries, while the resonator technique is characterized by almost no restrictions on the shape of the sample and a very high sensitivity, the present invention focuses on the measurement of the electrical properties of Catalysts using the resonator technique.

Während bei der sogenannten „endplate perturbation” der Katalysator eine der Endplatten des Resonators bildet, wird zur Vermeidung einer Berührung des Katalysators dieser bei der vorliegenden Erfindung in die Mitte einer Kavität des Mikrowellenresonators gelegt (gewöhnlich an das Maximum des elektrischen Felds, siehe die Chen, L.-F. et al. ). Da es bei Katalyse-Experimenten mit heterogenen Katalysatoren nicht möglich ist, die Resonatorendplatten mit dem Katalysator zu ersetzen, basiert das erfindungsgemäße System zur kontaktlosen Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen auf der sogenannten Microwave Cavity Enclosed Perturbation Technique (MCPT), bei der der Katalysator und der ihn umgebende Reaktor im Resonator angeordnet sind. While in the so-called "endplate perturbation" the catalyst forms one of the end plates of the resonator, in the present invention it is placed in the center of a cavity of the microwave resonator (usually to the maximum of the electric field, see U.S. Patent Nos. 4,399,459) to avoid contact with the catalyst Chen, L.-F. et al. ). Since it is not possible to replace the Resonatorendplatten with the catalyst in catalytic experiments with heterogeneous catalysts, the inventive system for contactless conductivity measurement of heterogeneous catalysts under reaction conditions based on the so-called Microwave Cavity Enclosed Perturbation Technique (MCPT), in which the catalyst and the surrounding reactor are arranged in the resonator.

Die MCPT-Technik wurde bereits über einen weiten Frequenzbereich erfolgreich auf Leitfähigkeits- und Permittivitätsmessungen von Supraleitern, superionischen Leitern, Metallen, Halbleitern und dielektrische Materialien angewendet. Auch kann der Oxidationszustand von Dreiwegekatalysatoren aus dem Kfz-Bereich qualitativ dadurch beobachtet werden, dass das Katalysatorgehäuse als Mikrowellenresonator benutzt und dessen Resonanzeigenschaften in situ bestimmt werden ( Moos, R. et al., Topics in Catalysis 2009, 52, 2035–2040 ).The MCPT technique has already been successfully applied over a wide frequency range to conductivity and permittivity measurements of superconductors, superionic conductors, metals, semiconductors and dielectric materials. Also, the oxidation state of automotive three-way catalysts can be qualitatively observed by using the catalyst housing as a microwave resonator and determining its resonant properties in situ ( Moos, R. et al., Topics in Catalysis 2009, 52, 2035-2040 ).

Jedoch war es bisher nicht möglich, die MCPT-Methode zur quantitativen Bestimmung der komplexen Permittivität und Leitfähigkeit von Katalysatoren unter Betriebsbedingungen einzusetzen, das heißt innerhalb eines Reaktors bei hohen Temperaturen in einer Mischung von Reaktionsgasen bei gleichzeitiger Bestimmung der Reaktionsprodukte. Tatsächlich ergeben sich bei der Anwendung der MCPT-Technik auf einen Katalysatorreaktor erhebliche Probleme. Während nämlich bei einem herkömmlichen MCPT-Aufbau eine kleine, in der Mitte der Kavität angeordnete Probe verwendet wird, die nur eine geringe Perturbation der Mikrowellenresonanzverhältnisse (das heißt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz) induziert, erfordert die in-situ Analyse eines Katalysators das Einbringen eines vollständigen Quarzreaktors mit der katalytischen Probe in die Kavität. Gemäß der Lehre des bekannten Stand der Technik von Chen et al. bricht bei einer solch starken Perturbation des elektromagnetischen Feldes im Resonator der lineare Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des dielektrischen Materials und der Resonanzfrequenz sowie dem Gütefaktor des gefüllten Resonators zusammen.However, it has not hitherto been possible to use the MCPT method for the quantitative determination of the complex permittivity and conductivity of catalysts under operating conditions, that is to say within a reactor at high temperatures in a mixture of reaction gases with simultaneous determination of the reaction products. In fact, there are significant problems in applying the MCPT technique to a catalyst reactor. Namely, while a conventional MCPT structure uses a small sample located in the center of the cavity which induces only a small perturbation of the microwave resonance ratios (ie, a shift of the resonance frequency), the in-situ analysis of a catalyst requires the introduction of a complete one Quartz reactor with the catalytic sample in the cavity. According to the teaching of the prior art of Chen et al. With such a strong perturbation of the electromagnetic field in the resonator, the linear relationship between the properties of the dielectric material and the resonance frequency as well as the quality factor of the filled resonator breaks down.

Die theoretische Grundlage für die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Resonators und somit die Bestimmung der Leitfähigkeit des Katalysators bei Einbringen eines kleinen dielektrischen Materials beruht nämlich auf drei wesentlichen Annahmen. Zum einen muss für eine zuverlässige Messung die Probe in einem Bereich gleichförmigen Felds positioniert werden und zum anderen die Probe die Form eines Rotationsellipsoids oder eine andere definierte Geometrie aufweisen. Weiterhin muss die in der Probe gespeicherte Energie klein im Vergleich zur im Resonator gespeicherten Energie sein. In anderen Worten ist gemäß der bisher herrschenden Lehre von Chen et al. zu erwarten, dass ein kompletter Quarzglas-Reaktor inklusive der katalytischen Probe in einem Mikrowellenresonator zu einer wesentlichen Perturbation des Mikrowellenfeldes führen würde und somit die hergeleitete Annäherung zur Bestimmung der Resonanzfrequenzverschiebung nicht mehr anwendbar ist.The theoretical basis for the shift of the resonance frequency of the resonator and thus the determination of the conductivity of the catalyst when introducing a small dielectric material is based on three essential assumptions. On the one hand, for a reliable measurement, the sample must be positioned in a region of uniform field and, on the other hand, the sample must have the shape of an ellipsoid of revolution or another defined geometry. Furthermore, the energy stored in the sample must be small compared to the energy stored in the resonator. In other words, according to the hitherto prevailing teaching of Chen et al. to expect that a complete quartz glass reactor including the catalytic sample in a microwave resonator would result in a significant perturbation of the microwave field and thus the derived approximation for determining the resonance frequency shift is no longer applicable.

Eine weitere Herausforderung stellt die für typische Oxidationsreaktionen notwendige hohe Temperatur dar, also die Notwendigkeit, den Katalysator zu erhitzen, während hingegen die Kavität auf Raumtemperaturniveau gehalten werden muss, um eine Alterung der Oberfläche der Resonatorwände und somit einen unwiderrufliche Verschlechterung des Gütefaktors der Kavität zu vermeiden.A further challenge is the high temperature required for typical oxidation reactions, ie the need to heat the catalyst, whereas the cavity must be kept at room temperature level to avoid aging of the surface of the resonator walls and thus irreversible deterioration of the quality factor of the cavity ,

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit ein System zur Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen bereitgestellt, welches einen Resonator für Mikrowellen umfasst, innerhalb dessen ein Reaktor mit einer Aufnahmestelle für die Katalysatorprobe angeordnet ist, wobei der Resonator mit einer Mikrowellenquelle verbunden ist und der Reaktor an einem Ende mit einer Quelle für Reaktionsgase verbindbar und am anderen Ende an eine Gasanalysevorrichtung anschließbar ist. Mit diesem denkbar einfachen Aufbau ist es möglich, den heterogenen Katalysator kontaktfrei mit Mikrowellen anzuregen, dessen Resonanzspektrum am Resonator gemessen werden kann. Die im Stand der Technik auftretenden, auf den Kontakt mit Elektroden zurückführbaren Probleme wie hoher Kontaktwiderstand, Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Korngrenzen, des Abstands zwischen den einzelnen Katalysatorpartikeln, der Partikelgröße, der Packungsdichte, Anisotropie und so weiter, welche signifikante nicht reproduzierbare Fehler einführen, werden wirkungsvoll vermieden und dabei gleichzeitig eine hohe Sensitivität ermöglicht. Es können weiterhin anisotropische Proben und äußerst geringe Probenmengen verwendet werden, bei gleichzeitig hohem und reproduzierbarem Signal. Der heterogene Katalysator kann dabei eine polykristalline oder amorphe Struktur aufweisen, und die Proben können sowohl in Form von Pulver oder Splitt als auch zu Formkörpern (z. B. Tabletten) gepresst verwendet werden. Es ist aber ebenso denkbar, einkristalline Katalysatormaterialien zu untersuchen.According to the present invention, there is thus provided a system for measuring the conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions, comprising a microwave resonator within which is arranged a reactor having a receiving site for the catalyst sample, the resonator being connected to a microwave source and the reactor being connected to a microwave source End connectable to a source of reaction gases and connectable to a gas analyzer at the other end. With this conceivable simple structure, it is possible to excite the heterogeneous catalyst without contact with microwaves whose resonance spectrum can be measured at the resonator. Prior art problems attributable to contact with electrodes, such as high contact resistance, grain boundary configuration, interparticle catalyst spacing, particle size, packing density, anisotropy, etc., which introduce significant non-reproducible errors. are effectively avoided while at the same time enabling high sensitivity. It is also possible to use anisotropic samples and extremely small sample volumes, with a high and reproducible signal at the same time. The heterogeneous catalyst may have a polycrystalline or amorphous structure, and the samples may be in the form of powder or grit as well as shaped articles (eg. Tablets) are used. However, it is also conceivable to investigate monocrystalline catalyst materials.

Gleichzeitig kann, soweit eine beheizbare Quelle für Reaktionsgase vorgesehen ist, die Katalysatorprobe mithilfe der Reaktionsgase erhitzt werden, sodass nur die Probe aber nicht der Resonator erhitzt wird. Alternativ ist es auch möglich, die Katalysatorprobe anstatt durch Erhitzen der Reaktionsgase direkt durch eine geeignet gewählte eingebrachte Mikrowellenleistung zu erhitzen. Da hier aber das Mikrowellenfeld selektiv auf die Dipole im Katalysator einwirkt, wird dadurch das Katalysatorverhalten geändert, was bei der Auswertung berücksichtigt werden muss.At the same time, as far as a heatable source of reaction gases is provided, the catalyst sample can be heated by means of the reaction gases, so that only the sample but not the resonator is heated. Alternatively, it is also possible to heat the catalyst sample, rather than by heating the reaction gases, directly through a suitably chosen microwave power input. Since, however, the microwave field acts selectively on the dipoles in the catalyst, this changes the catalyst behavior, which must be taken into account in the evaluation.

Der Reaktor kann ein Probenröhrchen sein, beispielsweise aus Quarz, in welchem die Aufnahmestelle durch geeignete Maßnahmen (beispielsweise Begrenzung durch Glaswollestopfen) definiert und die Katalysatorprobe dadurch so positioniert wird, dass sie an der erwünschten Position im Resonator zu liegen kommt. Als Reaktor kommen aber auch Flachzellen (arrays) in Frage, welche nicht nur pulverförmige Katalysatorproben, sondern auch flüssige Phasen aufnehmen können.The reactor may be a sample tube, such as quartz, in which the receiving site is defined by appropriate means (such as glass wool plug restriction) and the catalyst sample is thereby positioned to lie at the desired position in the resonator. As a reactor but also flat cells (arrays) come into question, which can accommodate not only powdered catalyst samples, but also liquid phases.

Die vorliegende Erfindung zeigt, dass die Änderungen in der Resonanzfrequenz und dem Gütefaktor aufgrund der Perturbation durch den Quarzreaktor mit Probe weiterhin linear von den elektronischen Eigenschaften abhängen, das heißt, es ist möglich, die komplexe Permittivität und die Leitfähigkeit der untersuchten Probe zu bestimmen und somit quantitative Messungen unter Reaktionsbedingungen, das heißt insbesondere hohen Temperaturen wie sie für Katalyse-Reaktionen notwendig sind, durchzuführen. Dabei kommt zugute, dass das elektrische Feld (E-Feld) in dem aus einem Dielektrikum wie beispielsweise Quarz bestehenden Reaktor konzentriert und somit im Bereich der Probe verstärkt wird.The present invention shows that the changes in resonant frequency and quality factor due to perturbation by the sample quartz reactor continue to depend linearly on the electronic properties, that is, it is possible to determine the complex permittivity and conductivity of the sample being tested, and thus quantitative measurements under reaction conditions, that is, in particular, to carry out high temperatures as required for catalysis reactions. It benefits from the fact that the electric field (E-field) is concentrated in the reactor consisting of a dielectric such as quartz and thus amplified in the region of the sample.

Der Resonator kann entsprechend der verwendeten Mode ausgestaltet sein. So ist es bevorzugt, dass der Resonator ein zylindrischer X-Band TMnm0-Resonator ist (n = 0, 1, 2, ...; m = 1, 2, ...), und die Probenaufnahmestelle des Reaktors in der Mitte (entlang der Mittelachse) der Resonatorkavität angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei n = m = 1, wobei sich die Probenaufnahmestelle so zwischen den lokalen Maxima des E-Felds befindet. Dadurch, dass die Probe zwischen den Gegenknoten (Maxima) in einem lokalen Minimum des E-Felds zu liegen kommt, wird zwar die Gesamtempfindlichkeit des Systems etwas verringert, jedoch kann dies durch Verwendung größerer Probenvolumen kompensiert werden, welche zudem einfacher zu handhaben und zu analysieren sind. Entsprechend der Größe (des Volumens) des zylindrischen Resonators können andere TM-Moden eingesetzt werden, z. B. bei großen Resonatoren (r > 5 cm) TM0n0-Moden (n = 1, 2, 3). Andererseits ist es auch denkbar, rechteckige Resonatoren einzusetzen, bei denen dann statt TM-Moden TE-Moden zur Anregung eingesetzt werden, wobei auch hier die Moden in der Resonatormitte E-Feld-Minima aufweisen können. Allerdings ist bei gleichem Volumen die Güte des rechteckigen Resonators geringer als jene des zylindrischen Resonators. Ebenfalls denkbar ist der Einsatz von Split-Ring-Resonatoren. Obwohl prinzipiell Resonatoren für Frequenzbereiche von 300 MHz bis 300 GHz einsetzbar sind, ist in der Praxis für die Leitfähigkeitsmessung der Bereich von 1 bis 30 GHz und dabei insbesondere jener von 8–12 GHz (X-Band) bevorzugt. Durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenz kann zudem der Einfluss bestimmter molekularer Spezies auf die Katalysatoreffizienz untersucht werden, wie zum Beispiel der Einfluss von Wasser durch Messung bei 20 GHz, an der Wassermoleküle bzw. OH-Gruppen ihre Absorptionsmaxima besitzen, oder bei 18 GHz für NH3-Gruppen. Durch Auswahl der Frequenz kann aber auch der intrinsische Ort der Messung variiert werden, wobei bei niedrigen Frequenzen die intergranulären Eigenschaften, also die elektronischen Eigenschaften zwischen einzelnen Körnern (an den Korngrenzen) messbar sind, und mit steigender Frequenz der Beitrag zur Permittivität und damit Leitfähigkeit innerhalb der Körner zunimmt. Eine entsprechende Anpassung der Resonanzfrequenz durch geeignete Skalierung des Resonators und des Reaktors ist ebenfalls denkbar.The resonator can be designed according to the mode used. Thus, it is preferable that the resonator is a cylindrical X-band TM nm0 resonator (n = 0, 1, 2, ...; m = 1, 2, ···), and the sample receiving site of the reactor in the middle (along the central axis) of the resonator cavity is arranged. In this case, n = m = 1 is preferred, the sample receiving point thus being located between the local maxima of the E field. The fact that the sample comes to lie between the counter-nodes (maxima) in a local minimum of the E-field, the overall sensitivity of the system is somewhat reduced, but this can be compensated by using larger sample volumes, which also easier to handle and analyze are. Depending on the size (volume) of the cylindrical resonator, other TM modes may be used, e.g. B. for large resonators (r> 5 cm) TM 0n0 modes (n = 1, 2, 3). On the other hand, it is also conceivable to use rectangular resonators, in which instead of TM modes TE modes are used for excitation, in which case the modes in the resonator center E-field minima may have. However, with the same volume, the quality of the rectangular resonator is lower than that of the cylindrical resonator. Also conceivable is the use of split-ring resonators. Although in principle resonators for frequency ranges from 300 MHz to 300 GHz can be used, in practice for the conductivity measurement, the range of 1 to 30 GHz and in particular that of 8-12 GHz (X-band) is preferred. By suitable choice of the resonance frequency, the influence of certain molecular species on the catalyst efficiency can also be investigated, for example the influence of water by measurement at 20 GHz, at which water molecules or OH groups have their absorption maxima, or at 18 GHz for NH 3 -Groups. By selecting the frequency but also the intrinsic location of the measurement can be varied, at low frequencies, the intergranular properties, ie the electronic properties between individual grains (at the grain boundaries) are measurable, and with increasing frequency, the contribution to the permittivity and thus conductivity within the grains increases. A corresponding adaptation of the resonant frequency by suitable scaling of the resonator and the reactor is also conceivable.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das System eine evakuierte doppelwandige Ummantelung, welche um den Reaktor herum angeordnet ist und mit einer Vakuumquelle verbindbar ist, sowie eine Heizvorrichtung, welche mit dem Reaktor verbunden ist und Heizgas in es einleitet. Auf diese Weise kann die Katalysatorprobe separat beheizt werden, das heißt ohne durch die Reaktionsgase erhitzt werden zu müssen, wobei gleichzeitig die evakuierte doppelwandige Ummantelung dafür sorgt, dass nur die Proben, nicht jedoch der Resonator erwärmt werden. Die Ummantelung ist dabei zweckmäßigerweise für Mikrowellen durchlässig, und besteht zum Beispiel aus Quarz- oder Saphirglas. Eine allgemeine Anforderung an die Ummantelung sind geringe dielektrische Verluste, in anderen Worten muss der Imaginärteil ε2 ihrer komplexen Permittivität sehr klein sein. Eine mögliche Bauform der Ummantelung sind die als Dewar bekannten Anordnungen.In a preferred embodiment, the system comprises an evacuated jacketed jacket disposed around the reactor and connectable to a vacuum source, and a heater connected to the reactor for introducing fuel gas therein. In this way, the catalyst sample can be heated separately, that is, without having to be heated by the reaction gases, while the evacuated double-walled jacket ensures that only the samples, but not the resonator are heated. The sheath is expediently permeable to microwaves, and consists for example of quartz or sapphire crystal. A general requirement for the sheath is low dielectric losses, in other words the imaginary part ε 2 of its complex permittivity must be very small. One possible design of the casing are the arrangements known as Dewar.

Als Mikrowellenquellen kommen beispielsweise Klystrons, GaN-Dioden oder Vektornetzwerkanalysatoren zum Einsatz, wobei diese auch das Mikrowellenspektrum des angeregten Katalysators erfassen können.For example, klystrons, GaN diodes or vector network analyzers are used as microwave sources, and these can also detect the microwave spectrum of the excited catalyst.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Resonator eine Kühlvorrichtung, welche die Wände der Resonatorkavität zusätzlich kühlt und im Wesentlichen auf Raumtemperatur hält. Dadurch wird eine Degradation der Resonatorwände besonders wirksam verhindert, was wesentlich zur Funktionsfähigkeit und Lebensdauer des Resonators beiträgt, da insbesondere die Oberflächen der Resonatorwände empfindliche Auswirkungen auf das im Resonator entstehende Mikrowellenfeld besitzen. In anderen Worten kann die Güte des Resonators über sehr lange Zeiträume konstant gehalten werden, was besonders lange Messzyklen zur Bestimmung der elektrischen Katalysatoreigenschaften ermöglicht. In a preferred embodiment, the resonator comprises a cooling device, which additionally cools the walls of the resonator cavity and keeps it substantially at room temperature. As a result, a degradation of the resonator walls is particularly effectively prevented, which contributes significantly to the functionality and lifetime of the resonator, since in particular the surfaces of the resonator walls have sensitive effects on the microwave field resulting in the resonator. In other words, the quality of the resonator can be kept constant over very long periods, which allows particularly long measurement cycles for determining the electrical catalyst properties.

Die Kühlvorrichtung umfasst dabei beispielsweise einen Kühlwasserkreislauf, der gegebenenfalls über zusätzliche Kühlplatten Wärme vom Resonator abführt. Alternativ oder zusätzlich ist aber auch eine Luftkühlung des Resonators, beispielsweise unter Verwendung großer Kühlkörper wie zum Beispiel Kupfermassen denkbar. Zur Vermeidung von Kondenswasser ist auch eine Innenbelüftung des Resonators möglich. Die Kühlvorrichtung kann aber nicht nur zur Kühlung des Resonators bei hohen Katalysatortemperaturen eingesetzt werden, sondern auch um Messungen unter niedrigen Temperaturen durchzuführen, wobei hierzu die Heizvorrichtung entsprechend geregelt wird. Somit können durch geeignete Kombination von Heiz- und Kühlvorrichtungen beliebige Temperaturverhältnisse sowie zeitliche Temperaturprofile eingestellt werden, unter denen die Katalysereaktion untersucht werden soll.The cooling device comprises, for example, a cooling water circuit, which optionally dissipates heat from the resonator via additional cooling plates. Alternatively or additionally, however, an air cooling of the resonator, for example using large heat sinks such as copper masses conceivable. To avoid condensation, an internal ventilation of the resonator is possible. However, the cooling device can be used not only for cooling the resonator at high catalyst temperatures, but also to perform measurements at low temperatures, for which purpose the heating device is regulated accordingly. Thus, by suitable combination of heating and cooling devices, any temperature conditions and temporal temperature profiles can be set, under which the catalytic reaction is to be investigated.

Schließlich ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße System weiter eine Quelle für Reaktionsgase sowie eine Gasanalysevorrichtung aufweist, welche jeweils an dem einem bzw. dem anderen Ende des Reaktors angeschlossen ist. Diese Analysevorrichtung kann beispielsweise ein Gaschromatograph, aber auch ein Quadrupol-Massenspektrograph oder einfach Lösungen zur Analyse der Reaktanden- und Produktgase sein.Finally, it is preferred that the system according to the invention further comprises a source of reaction gases as well as a gas analyzer, which is connected to one or the other end of the reactor. This analyzer may be, for example, a gas chromatograph, but also a quadrupole mass spectrograph, or simply solutions for the analysis of reactant and product gases.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße System ferner einen Magnetfeldgenerator, der im Resonator ein Magnetfeld erzeugt, wobei der Resonator eine bimodale Kavität besitzt, bei welcher ein- und ausgehende Wellenleiter unter einem Winkel von 90° zueinander an den Resonator angeschlossen sind und die Probe im Reaktor in der Kavität derart angeordnet ist, dass sie von beiden Moden angeregt werden kann. Bevorzugt ist dabei der Reaktor in der Resonatorkavität unter einem Winkel von 45° zu beiden Wellenleitern in deren Ebene angeordnet. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den Mikrowellen-Hall-Effekt in der Katalysatorprobe zu induzieren. Bei ausgeschaltetem Magnetfeld ergibt sich nämlich aufgrund der orthogonalen Anordnung der primären und sekundären Moden keine Transmission von Mikrowellenleistung durch den Resonator, während bei eingeschaltetem Magnetfeld (das magnetische Gleichfeld ist hierbei senkrecht zum elektrischen Mikrowellenfeld) eine Kopplung der beiden orthogonalen Moden erzeugt wird und somit Mikrowellenleistung durch den Resonator transmittiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Ladungsträgermobilitäten in der Katalysatorprobe zu bestimmen.In a further embodiment, the system according to the invention further comprises a magnetic field generator which generates a magnetic field in the resonator, wherein the resonator has a bimodal cavity, in which incoming and outgoing waveguides are connected to the resonator at an angle of 90 ° to each other and the sample in Reactor in the cavity is arranged so that it can be excited by both modes. Preferably, the reactor is arranged in the resonator cavity at an angle of 45 ° to both waveguides in the plane thereof. With this structure, it is possible to induce the microwave Hall effect in the catalyst sample. In fact, when the magnetic field is switched off, there is no transmission of microwave power through the resonator due to the orthogonal arrangement of the primary and secondary modes, while coupling of the two orthogonal modes is produced when the magnetic field is switched on (the DC magnetic field is perpendicular to the microwave electric field) and hence microwave power the resonator is transmitted. In this way it is possible to determine the charge carrier mobilities in the catalyst sample.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche beispielhafte und die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsformen beschreiben.In the following, the invention will be described with reference to the accompanying drawings, which describe exemplary and non-limiting embodiments.

1 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen, auf Kontakt basierenden Systems zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines pulverförmigen Katalysators in einem Durchflussreaktor; 1 Fig. 12 is a schematic view of a conventional contact-based system for determining the conductivity of a powdery catalyst in a flow-through reactor;

2 zeigt zwei Darstellungen einer ersten Ausführungsform des Systems der Erfindung, bei dem das Reaktorröhrchen koaxial zur Resonatorachse angeordnet ist, wobei 2a die Details des Kühlsystems und der Gasanschlüsse zeigt und 2b zur Verdeutlichung der Gasflüsse durch die katalytische Probe nur schematisch das Probenröhrchen im Resonator zeigt; 2 FIG. 2 shows two illustrations of a first embodiment of the system of the invention in which the reactor tube is arranged coaxially with the resonator axis, wherein FIG 2a the details of the cooling system and gas connections are shown and 2 B to illustrate the gas flows through the catalytic sample only schematically shows the sample tube in the resonator;

3 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Proberöhrchen senkrecht zur Resonatorachse angeordnet ist, wobei hier außerdem die Mikrowellenquelle und -analysevorrichtung dargestellt sind; 3 is a schematic view of a second embodiment of the invention, in which the sample tube is arranged perpendicular to the resonator axis, wherein here also the microwave source and analysis device are shown;

4 ist eine schematische Ansicht der elektrischen Feldverteilung des zylindrischen X-Band-Resonators der 3, wobei 4a die Feldverteilung in Abhängigkeit des Winkels Φ zeigt und 4b die Feldverteilung im Verhältnis zum Proberöhrchen und der Probe darstellt, während in 4c die Maxima des elektrischen Felds im Resonator verdeutlicht sind; 4 is a schematic view of the electric field distribution of the cylindrical X-band resonator of 3 , in which 4a the field distribution as a function of the angle Φ shows and 4b represents the field distribution in relation to the sample tube and the sample, while in 4c the maximums of the electric field in the resonator are clarified;

5 zeigt die Ergebnisse der Kalibrierung des Systems der 3 mit verschiedenen monokristallinen Permittivitätsstandards, wobei 5a die Kurve zur Kalibrierung von ε1 zeigt, und 5b und c zwei Kurven zur Kalibrierung von ε2 zeigen; 5 shows the results of the calibration of the system 3 with different monocrystalline Permittivitätsstandards, wherein 5a the curve for the calibration of ε 1 shows, and 5b and c show two curves for calibrating ε 2 ;

6 zeigt die Ergebnisse der Kalibrierung des Systems der 3 mit verschiedenen pulverförmigen Permittivitätsstandards verschiedener Packungsdichte δ, wobei 6a wieder die ε1-Kalibrierung und 6b die ε2-Kalibrierung zeigt; 6 shows the results of the calibration of the system 3 with different powdered Permittivitätsstandards different packing density δ, where 6a again the ε 1 calibration and 6b showing ε 2 calibration;

7 zeigt die Ergebnisse der Messung der komplexen Permittivität (7a) sowie der Katalyseeffizienz (7b) eines pulverförmigen Nb5+-dotierten VPO-Katalysators in situ bei Reaktionsbedingungen; 7 shows the results of the measurement of complex permittivity ( 7a ) as well as the catalytic efficiency ( 7b ) a powdered Nb 5+ -doped VPO catalyst in situ at reaction conditions;

8 zeigt die logarithmische Darstellung der Messergebnisse der Mikrowellen-Leitfähigkeit des pulverförmigen VPO-Katalysators in situ bei Reaktionsbedingungen, aufgetragen gegen die inverse Temperatur zur Bestimmung der dynamischen Aktivierungsenergien; 8th shows the logarithmic representation of the measurement results of the microwave conductivity of the powdered VPO catalyst in situ at reaction conditions plotted against the inverse temperature to determine the dynamic activation energies;

9 ist eine schematische Darstellung einer rechteckigen bimodalen Resonatorkavität zur Bestimmung der Ladungsträgermobilität und dichte gemäß einer weiteren Ausführungsform des Systems der Erfindung; und 9 Figure 4 is a schematic representation of a rectangular bimodal resonator cavity for determining charge carrier mobility and density according to another embodiment of the system of the invention; and

10 veranschaulicht schematisch den Mikrowellen-Hall-Effekt, der von der Ausführungsform der 9 genutzt wird. 10 schematically illustrates the microwave Hall effect, of the embodiment of the 9 is being used.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines heterogenen Katalysators unter Reaktionsbedingungen ist in 2a) und b) gezeigt. Das System umfasst einen zylindrischen Resonator 2, welcher zwei den Zylinder abschließende und die Resonatorkavität bildende scheibenförmige Endplatten 2a, 2b umfasst. Entlang der Längsachse des Zylinders ist ein Reaktorröhrchen 3 angeordnet, welches eine in der Mitte zwischen den Endplatten 2a, 2b positionierte Probenaufnahmestelle 4 aufweist. In der 2 nicht gezeigt ist, dass die Endplatten 2a, 2b mit einem Mikrowellenhohleiter und weiter mit geeigneten Koaxialkabeln an eine Mikrowellenquelle sowie einen Frequenzanalysator angeschlossen sind.A first embodiment of the system according to the invention for determining the conductivity of a heterogeneous catalyst under reaction conditions is shown in FIG 2a ) and b). The system comprises a cylindrical resonator 2 which comprises two disk-shaped end plates closing the cylinder and forming the resonator cavity 2a . 2 B includes. Along the longitudinal axis of the cylinder is a reactor tube 3 arranged one in the middle between the end plates 2a . 2 B positioned sample receiving point 4 having. In the 2 not shown is that the end plates 2a . 2 B are connected to a microwave waveguide and further with suitable coaxial cables to a microwave source and a frequency analyzer.

Die Probenaufnahmestelle 4 wird dabei beispielsweise durch Glaswollestopfen (nicht gezeigt) von oben und von unten begrenzt, welche einerseits die pulverförmige Katalysatorprobe P in der Mitte des Resonators 2 halten und andererseits den Durchtritt von Reaktionsgasen durch das Probenröhrchen 3 erlauben. Das Probenröhrchen 3 befindet sich im Inneren eines doppelwandigen Quarz-Dewars 5, durch dessen Innenvolumen zum Einen ein vorgewärmtes Heizgas (N2) um das Reaktorröhrchen herumgeleitet wird und der zum Anderen durch Anschluss an eine Vakuumpumpe für eine thermische Isolierung des beheizten Inneren des Dewars von der Resonatorkavität sorgt. Zur Messung der Reaktionstemperatur ist weiterhin ein Thermoelement 6 vorgesehen, das durch das Probenröhrchen 3 bis zum Bereich der Katalysatorprobe P eingeführt werden kann.The sampling site 4 is limited for example by glass wool plug (not shown) from above and below, on the one hand, the powdery catalyst sample P in the middle of the resonator 2 and on the other hand the passage of reaction gases through the sample tube 3 allow. The sample tube 3 is inside a double-walled quartz dewar 5 , on the one hand, a preheated fuel gas (N 2 ) is passed around the reactor tube through the inner volume and on the other hand, by connecting to a vacuum pump for thermal insulation of the heated interior of the dewar of the Resonatorkavität. For measuring the reaction temperature is still a thermocouple 6 provided by the sample tube 3 can be introduced to the region of the catalyst sample P.

Da es für die Funktion des Systems vorteilhaft ist, die Resonatorkavität auf konstanter Temperatur zu halten und so temperaturbedingte Änderungen der Resonanzbedingungen in der Kavität zu verhindern, ist ein Kühlwasserkreislauf 7 vorgesehen, welcher in thermischem Kontakt mit den Endplatten 2a, 2b beziehungsweise dem Resonatorgehäuse steht und von der Probe beziehungsweise dem Heizgas trotz Dewar an den Resonator (hauptsächlich radiativ) abgegebene Wärme abführt.Since it is advantageous for the function of the system to keep the resonator cavity at a constant temperature and thus to prevent temperature-induced changes in the resonance conditions in the cavity, is a cooling water circuit 7 provided, which in thermal contact with the end plates 2a . 2 B or the resonator housing and dissipates heat emitted by the sample or the heating gas despite Dewar to the resonator (mainly radiatively).

Im Betrieb werden Reaktionsgase (in 2b von unten) durch das Probenröhrchen 3 eingeführt, umströmen den auf Reaktionstemperatur vorgeheizten Katalysator P und unterlaufen dabei die katalytische Reaktion. Die Produktgase sowie verbleibende Reaktanden werden dann (in 2b oben) aus dem Röhrchen in einen Gaschromatographen (nicht gezeigt) eingeführt, welcher die verschiedenen molekularen Spezies analysiert, wobei hieraus dann die Effizienz der katalytischen Reaktion berechnet werden kann. Gleichzeitig werden in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe (gemessen durch das Thermoelement 6) Mikrowellenresonanzspektra der Katalysatorprobe P aufgezeichnet und mit den Effizienzdaten in Bezug gesetzt.In operation, reaction gases (in 2 B from below) through the sample tube 3 introduced, flow around the preheated to the reaction temperature catalyst P and thereby undergo the catalytic reaction. The product gases as well as remaining reactants are then (in 2 B above) from the tube into a gas chromatograph (not shown) which analyzes the various molecular species, from which the efficiency of the catalytic reaction can then be calculated. At the same time, depending on the temperature of the sample (measured by the thermocouple 6 ) Microwave resonance spectra of the catalyst sample P recorded and related to the efficiency data.

3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein zylindrischer X-Band-Resonator 2' mit einer TM110-Kavität und einer Höhe von 19,5 mm sowie einem Durchmesser von 38,5 mm zum Einsatz kommt. Ein derartiger Resonator ist beispielsweise bei Bruker BioSpin erhältlich. In der Mitte zwischen den Endplatten 2a' und 2b' des zylindrischen Resonators 2' ist, diesmal in radialer Richtung, ein mit der ersten Ausführungsform vergleichbares Reaktorröhrchen 3 durch die Resonatorkavität geführt, wobei das Reaktorröhrchen 3 wiederum von einem Quarz-Dewar 5 umgeben ist, welcher wie in der ersten Ausführungsform durch entsprechende Anschlüsse 5a, 5b an eine Vakuumabsaugung (äußeres Dewarvolumen) sowie eine Quelle mit Heizgas (inneres Dewarvolumen) angeschlossen ist. An der Heizgaszuleitung ist entsprechend eine Heizquelle (Ofen) 8 vorgesehen, welche das eingeführte Stickstoffgas N2 und dadurch die im Stickstoffgasstrom gehaltene Probe P auf Reaktionstemperatur bringt. 3 schematically shows a second embodiment of the present invention, in which a cylindrical X-band resonator 2 ' with a TM 110 cavity and a height of 19.5 mm and a diameter of 38.5 mm is used. Such a resonator is available, for example, from Bruker BioSpin. In the middle between the end plates 2a ' and 2 B' of the cylindrical resonator 2 ' is, this time in the radial direction, a similar to the first embodiment reactor tube 3 through the Resonatorkavität performed, the reactor tube 3 again from a quartz dewar 5 is surrounded, which, as in the first embodiment by corresponding terminals 5a . 5b connected to a vacuum suction (outer dewar volume) and a source of heating gas (inner dewar volume). At the Heizgaszuleitung is accordingly a heat source (oven) 8th is provided, which brings the introduced nitrogen gas N 2 and thereby held in the nitrogen gas stream sample P to reaction temperature.

Das Reaktorröhrchen 3 besitzt einen Innendurchmesser von 3 mm und einen Außendurchmesser von 4 mm und enthält an seiner Probenaufnahmestelle 4 die pulverförmige Katalysatorprobe P, welche wiederum durch zwei Glaswollestopfen (nicht gezeigt) in einer Position auf der Längsachse des Resonators gehalten wird. Die Höhe der pulverförmigen Probe beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 10 mm. Der Quarz-Dewar, genauer gesagt sein in den Resonator eingeführter rohrförmiger Teil, besitzt einen äußeren Durchmesser von 10 mm und ist, zusammen mit dem Probenröhrchen in seinem Inneren, senkrecht zum an die Resonatorkavität angeschlossenen Wellenleiter positioniert.The reactor tube 3 has an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of 4 mm and contains at its sample receiving point 4 the powdered catalyst sample P, which in turn is held in position on the longitudinal axis of the resonator by two glass wool plugs (not shown). The height of the powdery sample is about 10 mm in this embodiment. The quartz dewar, more specifically its tubular member inserted into the resonator, has an outer diameter of 10 mm and is positioned, along with the sample tube in its interior, perpendicular to the waveguide connected to the resonator cavity.

Das Reaktorröhrchen ist stromaufwärts an einen Reaktionsgaszufuhranschluss 5c mit Massenfluss-Controllern (Bronkhorst El-Flow) sowie stromabwärts an einen on-line Gaschromatographen GC (Agilent 7890A) angeschlossen. Zur quantitativen Analyse wird der Gasstrom in einen ersten Gasstrom zur Analyse von CO2, H2O, n-Butan, N2, O2 und CO sowie einen zweiten Gasstrom zur Analyse von Maleinsäure-Anhydrid (Produkt) aufgeteilt. Die Trennung der einzelnen Gase im ersten Gasstrom erfolgt durch eine Poraplot-Säule (CO2, H2O, C4H10) sowie ein Molekularsieb (N2, O2 und CO), die Messung mithilfe eines Wärmeleitfähigkeitssensors. Das Maleinsäure-Anhydrid im zweiten Gasstrom wurde von der Reaktionsmischung durch eine DB1-Säule getrennt und durch einen Flammenionisationsdetektor erfasst.The reactor tube is upstream of a reaction gas supply port 5c with mass flow controllers (Bronkhorst El-Flow) and downstream to an on-line gas chromatograph GC (Agilent 7890A). For quantitative analysis, the gas stream is split into a first gas stream for analysis of CO 2 , H 2 O, n-butane, N 2 , O 2 and CO and a second gas stream for analysis of maleic anhydride (product). The separation of the individual gases in the first gas stream is carried out by a Poraplot column (CO 2 , H 2 O, C 4 H 10 ) and a molecular sieve (N 2 , O 2 and CO), the measurement using a thermal conductivity sensor. The maleic anhydride in the second gas stream was separated from the reaction mixture by a DB1 column and detected by a flame ionization detector.

Der Ofen 8 ist als Widerstandsofen (Sylvania Tungsten Serie I) ausgeführt und lieferte acht Liter pro Minute vorgeheizten Stickstoff zum Erhitzen der Katalysatorprobe P auf Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 500°C. Weitere Maßnahmen wie die Vermeidung von Kondensflüssigkeit sowie die Evakuierung des Quarz-Dewars auf 10–7 mbar (mithilfe einer Pfeiffer HiCube 80 Eco-Pumpe) sowie die bereits zuvor beschriebene Wasserkühlung (mithilfe eines Zwei-Kreis-Kühlsystems über an den Resonatorendplatten angebrachte Kupferplatten) wurden ebenfalls implementiert.The oven 8th is designed as a resistance furnace (Sylvania Tungsten Series I) and provided eight liters per minute preheated nitrogen to heat the catalyst sample P to temperatures between room temperature and 500 ° C. Other measures such as avoiding condensate and evacuating the quartz dewar to 10 -7 mbar (using a Pfeiffer HiCube 80 Eco pump) and the previously described water cooling (using a two-circuit cooling system via copper plates attached to the resonator endplates) were also implemented.

Die Resonatorkavität wurde über eine Apertur mit einem Wellenleiter 11 gekoppelt, der über Koaxialkabel 10 an einen Vektornetzwerkanalysator 9 (VNA, Agilent PNA-L N5230C-225 mit Betriebsbereich zwischen 10 MHz und 20 GHz) angeschlossen ist, um die Resonanzspektren der sogenannten S11-Parameter im Reflexionsmodus (reflektierte Leistung in Funktion der Frequenz) aufzuzeichnen. Die Mikrowellenausgangsleistung betrug 11 dBm und die Resonanzfrequenz wurde direkt durch Bestimmung der Frequenz am Minimum des S11-Parameterspektrums gemessen. Der Q-Faktor (Güte) wurde durch Messung des Frequenzunterschieds der Resonanzpeaks bei einem 3 dB-Leistungsabsorptionsniveau (FWHM) und Multiplizieren der bestimmten reziproken Bandbreite mit der Resonanzfrequenz bestimmt. Die kritische Einkopplung der Mikrowelle in den Resonator wurde durch Phasenschieber 12 eingestellt und über die Smith-Chart-Darstellung des VNA 9 kontrolliert. Zur unabhängigen Überprüfung der Frequenz der Mikrowellenquelle im VNA 9 ist ferner ein Referenzresonator 13 an den Wellenleiter 11 angeschlossen.The resonator cavity was via an aperture with a waveguide 11 coupled via coaxial cable 10 to a vector network analyzer 9 (VNA, Agilent PNA-L N5230C-225 with operating range between 10 MHz and 20 GHz) is connected to record the resonance spectra of the so-called S11 parameters in reflection mode (reflected power as a function of frequency). The microwave output power was 11 dBm and the resonant frequency was measured directly by determining the frequency at the minimum of the S11 parameter spectrum. The Q factor (Q) was determined by measuring the frequency difference of the resonance peaks at a 3 dB power absorption level (FWHM) and multiplying the determined reciprocal bandwidth by the resonance frequency. The critical coupling of the microwave into the resonator was by phase shifters 12 set and over the Smith chart representation of the VNA 9 controlled. For independent checking of the frequency of the microwave source in the VNA 9 is also a reference resonator 13 to the waveguide 11 connected.

Wie bereits eingangs erwähnt, basiert das MCPT-Verfahren auf einer geringfügigen Perturbation der Resonanzbedingungen einer Kavität, wenn eine Probe mit einer vorgegebenen komplexen Permittivität und/oder elektrischen Leitfähigkeit in die Kavität eingeführt wird. In einer derartigen Kavität können sich stehende Wellen ausbilden, deren Moden durch eine charakteristische Resonanzfrequenz ν0 (abhängig von der Geometrie der Kavität) sowie der Resonatorgüte Q0 (abhängig von der Geometrie und der Leitfähigkeit der Resonatorwandung) gekennzeichnet sind. Die Güte steht dabei mit der Resonanzfrequenz ν0 durch die sogenannte Halbwertsbreite Γ0 in Verbindung.

Figure 00190001
As already mentioned, the MCPT method is based on a slight perturbation of the resonance conditions of a cavity when a sample with a given complex permittivity and / or electrical conductivity is introduced into the cavity. In such a cavity, standing waves can form whose modes are characterized by a characteristic resonance frequency ν 0 (depending on the geometry of the cavity) and the resonator Q 0 (depending on the geometry and the conductivity of the resonator). The quality is related to the resonant frequency ν 0 by the so-called half-width Γ 0 in combination.
Figure 00190001

Nach Einführen einer kleinen Probe in die Kavität ändern sich Resonanzfrequenz und die Güte der Kavität auf die Werte ν1 und Q1, und die zugehörige Verschiebung („shift”) der Werte kann mit der Permittivität und dem Volumen der Probe und der Kavität in Verbindung gesetzt werden:

Figure 00190002
After introducing a small sample into the cavity, the resonance frequency and the quality of the cavity change to the values ν 1 and Q 1 , and the associated shift of the values can be related to the permittivity and the volume of the sample and the cavity be set:
Figure 00190002

In der quasi-statischen Näherung, bei der die Eindringtiefe der Mikrowellen in die Oberfläche der Probe wesentlich größer ist als die Abmessungen der Probe, können die Verschiebung der Frequenz und der Güte direkt mit der komplexen Permittivität ε = ε1 – iε2 der Probe in Bezug gesetzt werden.

Figure 00200001
wobei A und B Resonatorkonstanten darstellen, die von der Resonatorgeometrie und der Mode abhängen und Vs und Vc das Volumen der Probe beziehungsweise der Kavität darstellen. Zwar können die Konstanten A und B prinzipiell direkt berechnet werden, wenn die Feldverteilung in der Kavität bekannt ist und sich durch die Einführung der Probe nicht wesentlich ändert. Aus praktischen Gründen werden die Resonatorkonstanten jedoch bevorzugt durch Messung geeigneter Kalibrationssubstanzen mit bekannten komplexen Permittivitäten bestimmt, die im Folgenden näher besprochen werden. Zu beachten ist noch, dass die quasi-statische Näherung für isolierende beziehungsweise schlecht leitende (halbleitende) Materialien, wie sie für die vorliegend interessierenden Katalysatoren verwendet werden, eine sehr gute Näherung ist, für metallische Leiter jedoch die Effekte an der Oberfläche im sogenannten „Skin-Depth”-Regime berücksichtigt werden müssen.In the quasi-static approximation, in which the penetration depth of the microwaves into the surface of the sample is substantially greater than the dimensions of the sample, the shift of the frequency and the quality directly with the complex permittivity ε = ε 1 - iε 2 of the sample in Be related.
Figure 00200001
where A and B represent resonator constants that depend on the resonator geometry and the mode and V s and V c represent the volume of the sample and the cavity, respectively. Although the constants A and B can be calculated directly in principle, if the field distribution in the cavity is known and does not change significantly by the introduction of the sample. For practical reasons, however, the resonator constants are preferably determined by measuring suitable calibration substances with known complex permittivities, which are discussed in more detail below. It should also be noted that the quasi-static approximation for insulating or poorly conducting (semiconducting) materials, as used for the present catalysts of interest, is a very good approximation, for metallic conductors, however, the effects on the surface in the so-called "Skin -Depth "regime must be considered.

Wie bereits erwähnt, wurde bisher angenommen, dass eine Leitfähigkeitsmessung, bei der eine Probe in einem Reaktor ins elektrische Feld eingeführt wird (beispielsweise an die Gegenknoten eines X-Band-Resonators einer TE011-Kavität), schwierig ist, wenn der Reaktor nicht stark miniaturisiert werden kann und Gasflussraten von Millilitern pro Minute (statt Mikrolitern pro Minute) eingesetzt werden können. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird jedoch überraschenderweise deutlich, dass auch bei Verwendung eines zylindrischen, mit einer TM110-Mode arbeitenden Resonators mit 38,5 mm Durchmesser und einer Höhe von 19,5 mm eine reproduzierbare und empfindliche Messung der Leitfähigkeit durchgeführt werden kann und dabei die erwähnte Näherung beibehalten werden kann. Im Falls der im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten TM110-Mode ist lediglich die longitudinale Komponente Ez des elektrischen Felds verschieden von 0 und dabei unabhängig von der Resonatorlänge L. Die entsprechende elektrische Feldverteilung für einen Resonator mit einem Radius von R = 2 cm ist in 4a (als Funktion des Winkels) gezeigt, während aus der axialen Darstellung der 4b erkennbar ist, dass die Probe direkt zwischen die Gegenknoten des elektrischen Felds platziert wird. Die Gegenknoten sind in 4c nochmal schematisch innerhalb des Resonators in ihrem Verhältnis zum Quarzreaktorröhrchen und der Probe P dargestellt.As already mentioned, it has hitherto been assumed that a conductivity measurement in which a sample is introduced into the electric field in a reactor (for example to the counter nodes of an X-band resonator of a TE 011 cavity) is difficult if the reactor is not strong can be miniaturized and gas flow rates of milliliters per minute (instead of microliters per minute) can be used. In the present embodiment of the invention, however, it is surprisingly clear that a reproducible and sensitive measurement of the conductivity can also be carried out using a cylindrical resonator with a diameter of 38.5 mm and a height of 19.5 mm working with a TM 110 mode and while the aforementioned approximation can be maintained. In the case of the TM 110 mode used in the present embodiment, only the longitudinal component E z of the electric field is different from 0 and thereby independent of the resonator length L. The corresponding electric field distribution for a resonator having a radius of R = 2 cm is in 4a (as a function of angle), while from the axial representation of the 4b it can be seen that the sample is placed directly between the counter nodes of the electric field. The counter nodes are in 4c again schematically shown within the resonator in relation to the quartz reactor tube and the sample P.

Die Katalysatorprobe P bestand aus einem pulverförmigen, heterogenen Nb-dotierten Vanadylpyrophosphat-Katalysator (VNbPO mit Nb/V = 0,08), der zu einem Pulver von 100 bis 200 μm großen Partikeln gemahlen wurde. Als Permittivitätsstandards wurden Einkristalle von Saphir (0001), Saphir (11-20) Rutil (001), Rutil (100), Lanthanaluminat (100) und Strontiumtitanat (100), erhältlich von der Crystal GmbH Berlin, eingesetzt. Die Permittivitätsstandards wurden sowohl zu pulverförmigen Proben gemahlen als auch in ihrer einkristallinen Form zu 1,2 bzw. 5 mm langen Zylindern mit 3 mm Durchmesser zugeschnitten. Die Form der zugeschnittenen Einkristallproben entspricht dabei weitestgehend jener der später analysierten Katalysatorprobe.The catalyst sample P consisted of a powdery heterogeneous Nb-doped vanadyl pyrophosphate catalyst (VNbPO with Nb / V = 0.08), which was milled to a powder of 100 to 200 μm particles. The permittivity standards used were single crystals of sapphire (0001), sapphire (11-20) rutile (001), rutile (100), lanthanum aluminate (100) and strontium titanate (100), available from Crystal GmbH Berlin. The permittivity standards were both ground into powdered samples and cut into 1.2 mm and 5 mm long 3 mm diameter cylinders in their monocrystalline form. The shape of the cut single crystal samples largely corresponds to that of the later analyzed catalyst sample.

Die Kalibrierung wurde an den Einkristallen sowohl parallel als auch senkrecht zu deren optischen Achsen (c-Achsen) durchgeführt, das heißt die optischen Achsen waren abwechselnd parallel beziehungsweise senkrecht zum Vektor des elektrischen Felds im Resonator. Die oben in Gleichungen (5) und (6) genannten Frequenz- und Güteverschiebungen wurden gemessen und gegen die bekannten reellen und imaginären Teile der Permittivität aufgetragen. Ein lineares Fitting dieser Kalibrierung ist in 5a) für ε1 gezeigt. Es zeigte sich jedoch, dass insbesondere die Güte stark von der Probengeometrie abhängt, was durch die nicht-homogenen Felder entlang der langen Zylinderachsen der Proben bedingt ist. Daher wurden zwei Kalibrationskonstanten B für die jeweils unterschiedlich langen zylindrischen Permittivitätsstandards bestimmt (5b und c) und mithilfe dieser Kalibrationskonstanten die komplexe Permittivität jeder Einkristallprobe unter Verwendung der tatsächlich erhaltenen Resonanzfrequenz- und Güteverschiebungen berechnet. Die ermittelten Werte wurden mit in der Literatur gefundenen und unter ähnlichen Bedingungen (bei ungefähr 10 GHz und Raumtemperatur) gemessenen Werten sowie den von den Herstellern der Einkristalle angegebenen Werten verglichen. Somit konnte festgestellt werden, dass der MCPT-Reaktor des erfindungsgemäßen Systems tatsächlich eine lineare Beziehung zwischen den komplexen Permittivitäten und der Verschiebung der Resonanzfrequenz bzw. der Güte liefert.The calibration was performed on the single crystals both parallel and perpendicular to their optical axes (c-axes), that is, the optical axes were alternately parallel and perpendicular to the vector of the electric field in the resonator. The ones mentioned above in equations (5) and (6) Frequency and quality shifts were measured and plotted against the known real and imaginary parts of the permittivity. A linear fitting of this calibration is in 5a ) for ε 1 . It turned out, however, that in particular the quality depends strongly on the sample geometry, which is due to the non-homogeneous fields along the long cylinder axes of the samples. Therefore, two calibration constants B were determined for the differently long cylindrical permittivity standards ( 5b and c) and using these calibration constants, calculate the complex permittivity of each single crystal sample using the resonant frequency and quality shifts actually obtained. The values obtained were compared with values found in the literature and measured under similar conditions (at about 10 GHz and room temperature) and the values given by the manufacturers of single crystals. Thus, it could be found that the MCPT reactor of the system according to the invention actually provides a linear relationship between the complex permittivities and the shift of the resonance frequency and the quality.

Auf Grundlage dieser linearen Abhängigkeit wurde dann eine Kalibrationskurve für pulverförmige Proben ermittelt. Der Zusammenhang der dielektrischen Eigenschaften von Einkristallen und pulverförmigen Proben wurde mithilfe der von Landau und Lifshitz ( Landau/Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media; Pergamon Press, London, 1960 ) abgeleiteten Formel berechnet:

Figure 00220001
wobei εs und εp die komplexe Permittivität des Einkristalls und des Pulvers bei einer gegebenen Packungsdichte δ darstellen. Mithilfe dieser Gleichung können dann die Gleichungen (2) und (3) wie folgt umgeschrieben werden:
Figure 00230001
Based on this linear dependence, a calibration curve for powdered samples was then determined. The relationship between the dielectric properties of single crystals and powdered samples was determined using Landau and Lifshitz ( Landau / Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media; Pergamon Press, London, 1960 ) derived formula:
Figure 00220001
where ε s and ε p represent the complex permittivity of the single crystal and the powder at a given packing density δ. Using this equation, equations (2) and (3) can then be rewritten as follows:
Figure 00230001

Die Gültigkeit dieser beiden Gleichungen (8) und (9) wurde auch durch Messung unterschiedlicher Packungsdichten der Kalibrationsproben und damit einer größeren Breite an Permittivitäten bestätigt. Die Ergebnisse sind in 6a) und 6b) jeweils für die Verschiebung der Resonanzfrequenz (Kalibrationskonstante Ap = –0,115 ± 0,005) und die Verschiebung der Güte (Kalibrationskonstante Bp = 0,067 ± 0,003) gezeigt.The validity of these two equations (8) and (9) was also confirmed by measuring different packing densities of the calibration samples and thus a greater range of permittivities. The results are in 6a ) and 6b ) are respectively shown for the shift of the resonance frequency (calibration constant A p = -0.115 ± 0.005) and the shift of the quality (calibration constant B p = 0.067 ± 0.003).

Mit Ausnahme von Saphir, bei dem insbesondere die gemessene imaginäre Permittivität um bis zu 50% vom Referenzwert abweicht, können die Permittivitäten mit einer Fehlermarge von 5 bis 20% bestimmt werden, sodass das erfindungsgemäße System in der Tat zur quantitativen Bestimmung der komplexen Permittivitäten sowohl von Einkristallen als auch Pulvern geeignet ist.With the exception of sapphire, in which in particular the measured imaginary permittivity deviates by up to 50% from the reference value, the permittivities can be determined with a margin of error of 5 to 20%, so that the system according to the invention can in fact be used for the quantitative determination of the complex permittivities of Single crystals as well as powders is suitable.

Mit der erfolgten Kalibrierung kann nun eine in-situ Messung der Permittivität und der elektrischen Leitfähigkeit eines Vanadium-Phosphor-Oxid-Katalysators (VPO-Katalysator) durchgeführt werden. VPO-Katalysatoren sind als äußerst gute industrielle Katalysatoren zur selektiven Oxidation von n Butan zu Maleinsäure-Anhydrid bekannt (siehe zum Beispiel Millet, op. cit. ): C4H10 + 7 / 2O2 → C4H2O3 + 4H2O. With the successful calibration, an in-situ measurement of the permittivity and the electrical conductivity of a vanadium-phosphorus-oxide catalyst (VPO catalyst) can now be carried out. VPO catalysts are known to be extremely good industrial catalysts for the selective oxidation of n-butane to maleic anhydride (see, for example Millet, op. Cit. ): C 4 H 10 + 7 / 2O 2 → C 4 H 2 O 3 + 4H 2 O.

Die einzigen (unerwünschten) Nebenprodukte, die in signifikanten Mengen auftreten, sind CO und CO2. Gewöhnlich wird die aktive Phase von VPO, das heißt Vanadylpyrophosphat (VPP) nur nach Aktivierung unter Reaktionsbedingungen gebildet (zum Beispiel 2% n-Butan, 20% O2, Rest N2 bei 400°C), sodass das Katalysatormaterial für die vorliegende Messung 60 Stunden lang im Gasstrom aktiviert wurde. Mithilfe von Röntgen-Diffraktometrie wurde sichergestellt, dass die in der Probe enthaltene kristalline Hauptphase VPP ist.The only (unwanted) byproducts that occur in significant amounts are CO and CO 2 . Usually, the active phase of VPO, viz. Vanadyl pyrophosphate (VPP), is formed only after activation under reaction conditions (for example, 2% n-butane, 20% O 2 , balance N 2 at 400 ° C), thus the catalyst material for the present measurement Activated for 60 hours in the gas stream. X-ray diffractometry was used to ensure that the main crystalline phase contained in the sample is VPP.

Für die MCPT-Messungen wurden 75 mg einer siebgängigen Fraktion von Partikeln des VPO-Katalysators mit 100 bis 200 μm Größe bis zu einer Probenfüllhöhe von 10 mm in das Quarz-Reaktorröhrchen eingefüllt. Dann wurde die Temperaturabhängigkeit der komplexen Permittivität gemessen, wozu der Katalysator mit einer Heizrate von 10 Kelvin pro Minute von Raumtemperatur auf 416°C erhitzt wurde, während die Probe mit 5 ml/min Reaktionsgasmischung (2% n-Butan, 20% O2 und Rest N2) umspült wurde. Gleichzeitig wurde bei verschiedenen Temperaturen nach einer isothermen Haltezeit von jeweils 10 min die Resonanzfrequenz und Güte sowie die katalytische Leistungsfähigkeit durch Analyse der ausströmenden Gase mithilfe eines multidimensionellen Online-Gaschromatographen festgestellt. Die Ergebnisse dieser katalytischen in-situ MCPT/GC-Untersuchung sind in 7a (komplexe Permittivität als Funktion der Temperatur) und 7b (Konzentration der Reaktanden- und Produktgase bzw. der Butanumsatz als Funktion der Temperatur) gezeigt. For the MCPT measurements, 75 mg of a seven-pass fraction of particles of the VPO catalyst of 100 to 200 μm in size were introduced into the quartz reactor tube up to a sample fill height of 10 mm. Then, the temperature dependence of the complex permittivity was measured by heating the catalyst from room temperature to 416 ° C at a heating rate of 10 Kelvin per minute while mixing the sample with 5 ml / min reaction gas mixture (2% n-butane, 20% O 2 and Residual N 2 ) was lapped. At the same time, at various temperatures after an isothermal hold time of 10 minutes each, the resonant frequency and quality as well as the catalytic performance were determined by analyzing the effluent gases using a multidimensional online gas chromatograph. The results of this catalytic in situ MCPT / GC assay are in 7a (complex permittivity as a function of temperature) and 7b (Concentration of the reactant and product gases or the butane conversion as a function of temperature) shown.

Mit zunehmender Temperatur konnte sowohl ein Anstieg des reellen als auch des imaginären Teils der Permittivität beobachtet werden (7a). ε1 erhöht sich nur geringfügig von einem Wert von etwa 9 bei Raumtemperatur auf 11 bei 416°C. Daher können keine signifikanten Phasenänderungen erster Ordnung im untersuchten Temperaturbereich beobachtet werden, was in Anbetracht der 60-stündigen Aktivierung und Vorbereitung der Probe unter ähnlichen Bedingungen zu erwarten war. Bei ε2 konnte hingegen ein wesentlicher Anstieg von etwa 0,2 bei Raumtemperatur bis 0,77 bei 416°C festgestellt werden.With increasing temperature both an increase of the real and the imaginary part of the permittivity could be observed ( 7a ). ε 1 increases only slightly from a value of about 9 at room temperature to 11 at 416 ° C. Therefore, no significant phase changes of the first order can be observed in the temperature range investigated, which was expected in view of the 60-hour activation and preparation of the sample under similar conditions. At ε 2 , on the other hand, a substantial increase from about 0.2 at room temperature to 0.77 at 416 ° C was observed.

Um aus der Temperaturabhängigkeit der Daten ein Mechanismus zur Bestimmung der Leitfähigkeit abzuleiten, wurde der Logarithmus der Mikrowellenleitfähigkeit σ·(σ = ωε0ε2) als Arrhenius-Plot gegen den Kehrwert der Temperatur aufgetragen (8a). Aus dieser Analyse lassen sich zwei Bereiche mit unterschiedlichen Steigungen erkennen. Indem man für die elektrische Leitfähigkeit die exponentielle Abhängigkeit von dem Kehrwert der Temperatur berücksichtigt,

Figure 00250001
wobei σ0 eine Konstante ist, Ec die Aktivierungsenergie der elektrischen Leitfähigkeit ist und kB die Boltzmann-Konstante ist, kann die Aktivierungsenergie Ec aus der Steigung der linearen Regression der 8a berechnet werden (vgl. Herrmann J. M., Catalysis Today, 2006, 112, 73–77 ). Ein linearer Fit im Bereich zwischen 200 bis 416°C gibt ein Aktivierungsenergie Ec von 140 meV (14 kJ/mol). Dieser Wert liegt unterhalb der Gleichstrom-Aktivierungsenergien, die für Vanadiumphosphate (38,1 bis 82,1 kJ/mol, siehe Rouvet, F. et al., op. cit. ) und Vanadylpyrophosphate (73,2 bis 138,1 kJ/mol; siehe Hermann, J. M. et al., Journal of Catalysis 1997, 167, 106–117 ) in der Literatur gemessen wurden. Da Gleichstrommessungen hauptsächlich durch die Berührung zwischen den Körnern bestimmt werden, erscheint es vernünftig, dass die von der Leitfähigkeit innerhalb der Körner bestimmte Mikrowellenaktivierungsenergie niedriger ist.In order to deduce a mechanism for determining the conductivity from the temperature dependence of the data, the logarithm of the microwave conductivity σ · (σ = ωε 0 ε 2 ) was plotted as an Arrhenius plot against the reciprocal of the temperature ( 8a ). From this analysis, two areas with different slopes can be identified. By considering the exponential dependence on the reciprocal of the temperature for the electrical conductivity,
Figure 00250001
where σ 0 is a constant, E c is the activation energy of the electrical conductivity and k B is the Boltzmann constant, the activation energy E c can be calculated from the slope of the linear regression of the 8a be calculated (see. Herrmann JM, Catalysis Today, 2006, 112, 73-77 ). A linear fit in the range of 200 to 416 ° C gives an activation energy E c of 140 meV (14 kJ / mol). This value is below the dc activation energies found for vanadium phosphates (38.1 to 82.1 kJ / mol, see Rouvet, F. et al., Op. Cit. ) and vanadyl pyrophosphates (73.2 to 138.1 kJ / mol; see Hermann, JM et al., Journal of Catalysis 1997, 167, 106-117 ) were measured in the literature. Since DC measurements are mainly determined by the contact between the grains, it seems reasonable that the microwave activation energy determined by the conductivity within the grains be lower.

Jedoch wurde im Arrhenius-Plot fast keine Temperaturabhängigkeit im Bereich unterhalb von etwa 200°C beobachtet. Ein ähnlicher Trend wurde bereits von Herrmann et al. (op. cit.) beim Studium der Gleichstromleitfähigkeit von Vanadylpyrophosphat beobachtet, nämlich eine schwache Temperaturabhängigkeit bei niedrigen Temperaturen. Die ermittelten „Übergangstemperaturen” zwischen den beiden Regimen reichen abhängig von der Vorbehandlung von 121 bis 348°C. Weiter wurde berichtet, dass Vanadiumphosphate, wie zum Beispiel VOPO4·2H2O, welches sich als Nebenphase in den Vorläufern unseres VPO-Katalysators finden lässt, ein gemischter Protonen-Elektronen-Leiter ist und dass Protonen die dominierenden Ladungsträger bei Raumtemperatur sind. Die ionische Leitfähigkeit kann im Allgemeinen durch die Nernst-Einstein-Gleichung beschrieben werden:

Figure 00260001
wobei D die Diffusionskonstante, c die Konzentration der Ionen mit Ladung z, und e die Ladung des Elektrons ist. Wenn sowohl D als auch c thermisch aktiviert sind, kann die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit geschrieben werden als:
Figure 00260002
wobei Eσ die Aktivierungsenergie für die Ionen-(Protonen-)Leitfähigkeit ist. Die graphische Darstellung von ln(σT) in Funktion von 1/T ergibt wieder zwei Bereiche (8b), wobei nun im unteren Temperaturbereich eine positive Aktivierungsenergie von 50 meV ermittelt wurde, die durch Protonenleitung an der Oberfläche und/oder durch die elektrische Relaxation von an der Oberfläche adsorbiertem Wasser oder Hydroxylgruppen erklärt werden kann. Der Beitrag von physisorbiertem Wasser, Hydroxylgruppen und/oder Protonen zur Mikrowellenadsorption bei niedrigeren Temperaturen wird durch thermogravimetrische/massenspektroskopische Messungen gestützt. Es konnte nämlich von den Erfindern gezeigt werden, dass die untersuchte Probe ungefähr 0,5 Gewichtsprozent Wasser enthält, welches unterhalb von 200°C größtenteils desorbiert ist. Im Bereich hoher Temperatur konnte eine sehr viel höhere Aktivierungsenergie von 190 meV ermittelt werden. In diesem Bereich sollte die Leitung durch Elektronen überwiegen. Wenn die Elektronenleitung durch das Hüpfen von Elektronen beziehungsweise Löchern zwischen den Positionen unterschiedlicher Valenz der Vanadium Atome bedingt ist (hauptsächlich V4+ und V5+ in VPO), wie es durch die Theorie kleiner Polaronen beschrieben wird, sollte sich dieselbe lineare Abhängigkeit von in (σT) von 1/T gemäß Gleichung (12) ergeben ( Mott, N. F.; Davis, E. A., Electronic Processes in Non-Crystalline Materials, 2. Auflage, Clarendon Press, Oxford, 1979 ). Die genaue Zuweisung der verschiedenen möglichen Leitungsmechanismen und der Einfluss der Gasphase (hauptsächlich Sauerstoff, n-Butan, Dampf, Wasserstoff) auf die Leitfähigkeit können somit in zukünftigen Studien mithilfe des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens untersucht werden.However, almost no temperature dependence in the range below about 200 ° C was observed in the Arrhenius plot. A similar trend has already been made by Herrmann et al. (op. cit.) observed in the study of the DC conductivity of vanadyl pyrophosphate, namely a weak temperature dependence at low temperatures. The determined "transition temperatures" between the two regimes range from 121 to 348 ° C depending on the pretreatment. Further, it has been reported that vanadium phosphates, such as VOPO 4 · 2H 2 O, which can be found as a minor phase in the precursors of our VPO catalyst, is a mixed proton-electron conductor and that protons are the dominant charge carriers at room temperature. The ionic conductivity can be generally described by the Nernst-Einstein equation:
Figure 00260001
where D is the diffusion constant, c is the concentration of ions with charge z, and e is the charge of the electron. When both D and c are thermally activated, the temperature dependence of the conductivity can be written as:
Figure 00260002
where E σ is the activation energy for the ion (proton) conductivity. The plot of ln (σT) in function of 1 / T again gives two ranges ( 8b ), wherein now in the lower temperature range, a positive activation energy of 50 meV was determined, which can be explained by proton conduction at the surface and / or by the electrical relaxation of adsorbed on the surface of water or hydroxyl groups. The contribution of physisorbed water, hydroxyl groups and / or protons to microwave adsorption at lower temperatures is supported by thermogravimetric / mass spectroscopic measurements. In fact, it has been shown by the inventors that the sample studied contains about 0.5% by weight of water, which is largely desorbed below 200 ° C. In the high temperature range, a much higher activation energy of 190 meV could be determined. In this area the conduction should predominate by electrons. When the electron conduction is due to the hopping of electrons or holes between the positions of different valences of the vanadium atoms (mainly V 4+ and V 5+ in VPO), as described by the theory of small polarons, the same linear dependence of in (σT) of 1 / T according to equation (12) ( Mott, NF; Davis, EA, Electronic Processes in Non-Crystalline Materials, 2nd Ed., Clarendon Press, Oxford, 1979 ). The precise assignment of the various possible conduction mechanisms and the influence of the gas phase (mainly oxygen, n-butane, steam, hydrogen) on the conductivity can thus be investigated in future studies by means of the system and method according to the invention.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in den 9 und 10 dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße System auch den Mikrowellen-Hall-Effekt nutzen, um die Ladungsträgermobilitäten und -dichten in der Katalysatorprobe zu bestimmen. Hierzu umfasst das System der Erfindung einen Magnetfeldgenerator (nicht gezeigt) und einen Mikrowellenresonator 20 mit bimodaler Kavität, wobei die an dessen Enden über Iris-Aperturen angeschlossenen Wellenleiter 21A, 21B unter 90° zueinander angeordnet sind. Der Resonator kann dabei sowohl rechtwinklig (9) wie auch zylindrisch (10a, Bezugsziffer 20') ausgestaltet sein. Die hier benutzten Resonatoren wurden bereits von Na, B. K. et al., Meas. Sci. Technol. 1991, 2, 770–779 beschrieben. Der Reaktor 3 ist in der Resonatorkavität unter einem Winkel von 45° zu beiden Wellenleitern angeordnet und ist ansonsten wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut. Die Aufnahmestelle mit der Probe P ist dabei am Kreuzungspunkt der Achsen der beiden rechtwinklig zueinander liegenden Wellenleiteranschlüsse 21a, 21b positioniert. Das vom Generator erzeugte Magnetfeld B (DC-Magnetfeld, Gleichfeld) ist dabei senkrecht zur Ebene des Resonators (d. h. der Ebene, die durch die beiden Wellenleiteranschlüsse und die Probe gebildet wird). Die Impedanz der bimodalen Kavität 20 kann mithilfe von Irisschrauben 22a, 22b, welche die Irisaperturen 21a, 21b selektiv vergrößern/verkleinern, an die Wellenleiter 21A, 21B angepasst werden. Die Resonatorkavität umfasst außerdem Tuning-Schrauben aus Messing, die wie in 9 gezeigt angeordnet sind. Mithilfe der Schrauben 23a und 23b kann die Mode eingestellt werden, mit der die Kavität angeregt wird, während die Resonanzfrequenz jeder Mode mithilfe der Tuning-Schrauben 24a und 24b eingestellt und abgeglichen wird.In a further embodiment of the invention, which is schematically illustrated in FIGS 9 and 10 As shown, the system of the present invention may also utilize the microwave Hall effect to determine the charge carrier mobilities and densities in the catalyst sample. For this purpose, the system of the invention comprises a magnetic field generator (not shown) and a microwave resonator 20 with bimodal cavity, with the waveguides connected at their ends via iris apertures 21A . 21B are arranged at 90 ° to each other. The resonator can be both rectangular ( 9 ) as well as cylindrical ( 10a , Reference numeral 20 ' ) be configured. The resonators used here have already been used by Na, BK et al., Meas. Sci. Technol. 1991, 2, 770-779 described. The reactor 3 is disposed in the resonator cavity at an angle of 45 ° to both waveguides and is otherwise constructed as in the previously described embodiments. The receiving point with the sample P is at the intersection of the axes of the two mutually perpendicular waveguide connections 21a . 21b positioned. The magnetic field B (DC magnetic field, DC field) generated by the generator is perpendicular to the plane of the resonator (ie the plane formed by the two waveguide connections and the sample). The impedance of the bimodal cavity 20 can by using iris screws 22a . 22b , which the iris apertures 21a . 21b selectively zoom in / out to the waveguides 21A . 21B be adjusted. The resonator cavity also includes brass tuning screws, which, as in 9 are shown shown. Using the screws 23a and 23b It is possible to set the mode that excites the cavity while the resonant frequency of each mode is adjusted using the tuning screws 24a and 24b adjusted and adjusted.

Die bimodale Kavität ist mit senkrecht zueinander stehenden primären und sekundären Moden konzipiert. Das bedeutet, dass bei abgeschaltetem Magnetfeld (B = 0) keine Mikrowellenleistung durch den Resonator 3 fließen sollte. In anderen Worten wird im Idealfall sämtliche Mikrowellenleistung der primären Mode reflektiert und am Anschluss 21a erfasst, während die transmittierte Mikrowellenleistung der sekundären Mode verschwindet (Anschuss 21b). Jedoch wird aufgrund der nicht-idealen Kavität (geometrische Abweichungen, Unreinheiten im Wandmaterial und Iris-bedingte Aberrationen) dennoch eine geringe transmittierte Mikrowellenleistung in der sekundären Mode gemessen, die in der Größenordnung vergleichbar mit dem gesuchten Hall-Signal ist. Aus diesem Grund wird in das Messsystem zusätzlich ein Löschkanal zwischen die beiden Wellenleiter-Anschlüsse geschaltet, der bei B = 0 mithilfe eines Phasenschiebers die von der sekundären Mode transmittierte Leistung auf nahe Null herabregelt (Kopplung der primären und sekundären Mode gleicher Amplitude, aber mit um 180° zueinander verschobener Phase).The bimodal cavity is designed with mutually perpendicular primary and secondary modes. This means that when the magnetic field is switched off (B = 0) no microwave power through the resonator 3 should flow. In other words, ideally all microwave power is reflected in the primary mode and at the port 21a detected while the transmitted microwave power of the secondary mode disappears (Anschuss 21b ). However, due to the non-ideal cavity (geometric aberrations, impurities in the wall material, and iris-related aberrations), a low transmitted microwave power in the secondary mode, which is on the order of magnitude comparable to the Hall signal sought, is still measured. For this reason, an extinguishing channel is additionally connected in the measuring system between the two waveguide connections, which at B = 0 downshifts the power transmitted by the secondary mode to almost zero (coupling of the primary and secondary modes of the same amplitude, but with a phase shifter) 180 ° shifted phase).

Das Einschalten des magnetischen Gleichfelds B führt nun zu leicht erfassbaren Änderungen der Mikrowellenleistung der sekundären Mode am Anschluss 21b, bedingt durch die Modenkopplung aufgrund des senkrecht zum elektrischen Mikrowellenfeld stehenden DC-Magnetfelds. Wie in 10 gezeigt ist, induziert das stationäre Magnetfeld B aufgrund der Lorentz-Kraft eine Hallspannung im Probenmaterial P, welche entsprechend dem oszillierenden elektrischen Feld Ex („Driving mode”) der anregenden Mikrowellen ihr Vorzeichen wechselt und so die sogenannte MHE-Mode EH („Microwave Hall Effect mode”) erzeugt, die senkrecht zur Anregungsmode Ex steht. Die Überlagerung der beiden Moden bewirkt eine ellipsoidale Bewegung der jeweiligen Ladungsträger, die in 10 eingezeichnet ist. Die Hall-Mobilität der Ladungsträger kann nun aus der in die primäre Mode eingespeisten Mikrowellenleistung P1 und der in der sekundären Mode gemessenen (transmittierten) Mikrowellenleistung PH wie folgt bestimmt werden ( Chen, L. F. et al., Microwave Electronics 2004, John Wiley & Sons ):

Figure 00290001
wobei Q0 und QL die Gütefaktoren des leeren und mit Probe beladenen Resonators sind und B das magnetische Gleichfeld ist.Switching on the DC magnetic field B now leads to easily detectable changes in the microwave power of the secondary mode at the terminal 21b due to the mode locking due to the standing perpendicular to the electric microwave field DC magnetic field. As in 10 is shown, the stationary magnetic field B induced due to the Lorentz force a Hall voltage in the sample material P, which changes its sign according to the oscillating electric field E x ("driving mode") of the exciting microwaves and so the so-called MHE mode E H (" Microwave Hall Effect mode ") generated vertically to the excitation mode E x . The superposition of the two modes causes an ellipsoidal movement of the respective charge carriers, which in 10 is drawn. The Hall mobility of the charge carriers can now be determined as follows from the microwave power P 1 fed into the primary mode and the (transmitted) microwave power P H measured in the secondary mode ( Chen, LF et al., Microwave Electronics 2004, John Wiley & Sons ):
Figure 00290001
where Q 0 and Q L are the merit factors of the empty and sample laden resonator and B is the DC magnetic field.

Somit stellt die vorliegende Erfindung basierend auf der Microwave Cavity Perturbation Technique (MCPT) sowohl eine kontaktlose Messmethode zur Bestimmung der Leitfähigkeit wie auch der Ladungsträgermobilität und -dichte zur Verfügung, welche auf die Untersuchung von Pulverkatalysatoren unter absolut realistischen Arbeitsbedingungen kalibriert werden kann. Die MCPT beruht auf den adiabatischen Änderungen der Eigenschaften (Resonanzfrequenz, Güte) eines Mikrowellenresonators (Kavität) bei Einführen der untersuchten Probe, was eine direkte Berechnung der komplexen Permittivität und der Mikrowellenleitfähigkeit der Probe ermöglicht. Das erfindungsgemäße System umfasst einen Resonator für Mikrowellen, der bevorzugt im X-Band und mit TMnm0-Moden (n, m > 0) arbeitet, innerhalb dessen ein Reaktor mit einer Aufnahmestelle für die heterogene Katalysatorprobe angeordnet ist. Der Resonator ist dabei mit einer Mikrowellenquelle verbunden und der Reaktor ist an einem Ende mit einer Quelle für Reaktionsgase verbindbar und am anderen Ende an eine Gasanalysevorrichtung anschließbar. Die Vorrichtung wurde mit verschiedenen Einkristallen und Pulvern bekannter komplexer Permittivitäten kalibriert und das Verfahren erfolgreich zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der komplexen Permittivität und der elektrischen Leitfähigkeit eines Nb5+-dotierten Vanadylpyrophosphat Katalysators zur selektiven Oxidation von n-Butan zu Maleinsäure-Anhydrid in einer Reaktionsgasmischung eingesetzt. Als Ergebnisse konnten zwei Leitfähigkeitsregime mit einem Temperaturgrenzwert von 200°C zwischen den beiden Regimen ermittelt werden, wobei in einem Bereich keine oder eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit bei niedrigen Temperaturen und eine Arrhenius-Abhängigkeit bei hohen Temperaturen festgestellt werden konnte.Thus, based on the Microwave Cavity Perturbation Technique (MCPT), the present invention provides both a non-contact measurement method for determining conductivity and charge carrier mobility and density, which can be calibrated for testing powder catalysts under absolutely realistic working conditions. The MCPT is based on the adiabatic changes in the properties (resonant frequency, quality) of a microwave resonator (cavity) when the sample is introduced, allowing a direct calculation of the complex permittivity and microwave conductivity of the sample. The system according to the invention comprises a resonator for microwaves, which operates preferably in the X-band and with TM nm0 modes (n, m> 0), within which a reactor is arranged with a receiving point for the heterogeneous catalyst sample. The resonator is connected to a microwave source and the reactor can be connected at one end to a source of reaction gases and connected at the other end to a gas analyzer. The device was calibrated with various single crystals and powders of known complex permittivities and the method was successfully used to study the temperature dependence of the complex permittivity and electrical conductivity of a Nb 5+ -doped vanadyl pyrophosphate catalyst for the selective oxidation of n-butane to maleic anhydride in a reaction gas mixture , As a result, two conductivity regimes with a temperature limit of 200 ° C between the two regimes could be determined, with no or very little temperature dependence at low temperatures and Arrhenius dependence at high temperatures in one range.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (13)

System zur Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen, welches einen Resonator (2, 2', 20, 20') für Mikrowellen umfasst, innerhalb dessen ein Reaktor (3) mit einer Aufnahmestelle (4) für eine heterogene Katalysatorprobe (P) angeordnet ist, wobei der Resonator mit einer Mikrowellenquelle (10) verbunden ist und der Reaktor an einem Ende mit einer Quelle für Reaktionsgase verbindbar und am anderen Ende an eine Gasanalysevorrichtung (GC) anschließbar ist.System for measuring the conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions, comprising a resonator ( 2 . 2 ' . 20 . 20 ' ) for microwaves within which a reactor ( 3 ) with a receiving location ( 4 ) is arranged for a heterogeneous catalyst sample (P), wherein the resonator with a microwave source ( 10 ) and the reactor is connectable at one end to a source of reaction gases and connectable at the other end to a gas analyzer (GC). System nach Anspruch 1, wobei der Resonator (2') ein zylindrischer X-Band TMnm0-Resonator ist (n = 0, 1, 2, ...; m = 1, 2, ...), und die Probenaufnahmestelle (4) des Reaktors (3) entlang der Mittelachse der Resonatorkavität angeordnet ist, wobei bevorzugt n = m = 1 ist, so dass sich die Probenaufnahmestelle (4) zwischen den lokalen Maxima des E-Felds befindet.System according to claim 1, wherein the resonator ( 2 ' ) is a cylindrical X-band TM nm0 resonator (n = 0, 1, 2, ..., m = 1, 2, ...), and the sample receiving site ( 4 ) of the reactor ( 3 ) is arranged along the central axis of the resonator cavity, wherein preferably n = m = 1, so that the sample receiving point ( 4 ) is between the local maxima of the E-field. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das System weiter eine evakuierbare doppelwandige Ummantelung (5) umfasst, welche um den Reaktor (3) herum angeordnet ist und mit einer Vakuumquelle verbindbar ist, sowie eine Heizvorrichtung (8) umfasst, welche mit dem Reaktor verbunden ist und Heizgas (N2) in ihn einleitet.A system according to claim 1 or 2, wherein the system further comprises an evacuatable double-walled jacket ( 5 ) which surround the reactor ( 3 ) is arranged around and is connectable to a vacuum source, and a heating device ( 8th ) which is connected to the reactor and introduces heating gas (N 2 ) into it. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Resonator eine Kühlvorrichtung (7) aufweist, welche die Wände der Resonatorkavität (2, 2', 20, 20') kühlt und im Wesentlichen auf Raumtemperatur hält.A system according to claim 1, 2 or 3, wherein the resonator comprises a cooling device ( 7 ), which surrounds the walls of the resonator cavity ( 2 . 2 ' . 20 . 20 ' ) and substantially kept at room temperature. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System weiter eine Quelle für Reaktionsgase sowie eine Gasanalysevorrichtung (GC) aufweist, welche jeweils an dem einem bzw. dem anderen Ende des Reaktors (3) angeschlossen sind, wobei die Gasanalysevorrichtung insbesondere ein Gaschromatograph (GC) zur Bestimmung der Reaktanden- und Produktgase ist.A system according to any one of the preceding claims, wherein the system further comprises a source of reaction gases and a gas analyzer (GC), each at one end of the reactor (s) ( 3 ), wherein the gas analysis device is in particular a gas chromatograph (GC) for determining the reactant and product gases. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System ferner einen Magnetfeldgenerator umfasst, der im Resonator (20, 20') ein Magnetfeld (B) erzeugt, wobei der Resonator eine bimodale Kavität besitzt, bei welcher ein- und ausgehende Mikrowellenleiter (21A, 21B) unter einem Winkel von 90° zueinander an den Resonator angeschlossen sind und die Probe im Reaktor (3) in der Kavität derart angeordnet ist, dass sie von beiden Moden angeregt werden kann.System according to one of the preceding claims, wherein the system further comprises a magnetic field generator, which in the resonator ( 20 . 20 ' ) generates a magnetic field (B), wherein the resonator has a bimodal cavity, in which incoming and outgoing microwave conductors ( 21A . 21B ) are connected at an angle of 90 ° to each other to the resonator and the sample in the reactor ( 3 ) is arranged in the cavity so that it can be excited by both modes. Verfahren zur Leitfähigkeitsmessung von heterogenen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen, wobei eine Katalysatorprobe in einen Reaktor gelegt und dieser in einen Mikrowellenresonator eingebracht wird, die Katalysatorprobe auf Reaktionstemperatur erhitzt wird, die Katalysatorprobe mit Mikrowellen angeregt wird, und das Resonanzspektrum der Katalysatorprobe erfasst wird.Method for measuring the conductivity of heterogeneous catalysts under reaction conditions, wherein placing a catalyst sample in a reactor and placing it in a microwave resonator, the catalyst sample is heated to reaction temperature, the catalyst sample is excited with microwaves, and the resonance spectrum of the catalyst sample is detected. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Mode der Mikrowellenstrahlung eine TMnm0-Mode ist (n = 0, 1, 2, ...; m = 1, 2, ...), und die Katalysatorprobe des Reaktors entlang der Mittelachse der Resonatorkavität angeordnet ist, wobei bevorzugt n = m = 1 ist, so dass sich die Katalysatorprobe zwischen den lokalen Maxima des E-Felds befindet.The method of claim 7 wherein the mode of microwave radiation is a TM nm0 mode (n = 0, 1, 2, ...; m = 1, 2, ...) and the catalyst sample of the reactor along the central axis of the resonator cavity is preferably, where n = m = 1, so that the catalyst sample is between the local maxima of the E field. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Katalysatorprobe bei Erreichen der Reaktionstemperatur im Reaktor mit Reaktionsgasen umströmt und die Reaktanden- und Produktgase aus dem Reaktor geführt und analysiert werden.A method according to claim 7 or 8, wherein the catalyst sample flows around upon reaching the reaction temperature in the reactor with reaction gases and the reactants and product gases are led out of the reactor and analyzed. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Katalysatorprobe durch geeignete Wahl der Mikrowellenleistung, durch Erhitzen der Reaktionsgase oder durch Heizgas aus einer Heizvorrichtung auf Reaktionstemperatur erhitzt wird.A method according to claim 7, 8 or 9, wherein the catalyst sample is heated to reaction temperature by proper selection of the microwave power, by heating the reaction gases or by heating gas from a heater. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei vor Einbringen der Katalysatorprobe der Reaktor leer in den Mikrowellenresonator eingebracht, auf Reaktionstemperatur erhitzt, mit Mikrowellen angeregt und das erfasste Resonanzsignal des leeren Reaktors vom Resonanzspektrum der Katalysatorprobe abgezogen wird.The method of any one of claims 7 to 10, wherein prior to introduction of the catalyst sample, the reactor is introduced into the microwave resonator empty, heated to reaction temperature, excited with microwaves and the detected resonance signal of the empty reactor is subtracted from the resonance spectrum of the catalyst sample. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Resonanzsignal der Katalysatorprobe durch geeignete Phaseneinstellung des anregenden Mikrowellenfelds maximiert wird. The method of any of claims 7 to 11, wherein the resonant signal of the catalyst sample is maximized by appropriate phase adjustment of the exciting microwave field. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei senkrecht zum elektrischen Mikrowellenfeld ein magnetisches Gleichfeld angelegt wird und die Resonanzspektra der Katalysatorprobe unter 90° zur Anregungsrichtung des Mikrowellenfelds erfasst werden.Method according to one of claims 7 to 12, wherein perpendicular to the microwave electric field, a DC magnetic field is applied and the resonance spectra of the catalyst sample are detected at 90 ° to the excitation direction of the microwave field.
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