DE102011076347A1 - System for contactless conductivity measurement of heterogeneous catalysts under reaction conditions - Google Patents
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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
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
Aus dem
Aus dem
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
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
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 (
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
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
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.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines heterogenen Katalysators unter Reaktionsbedingungen ist in
Die Probenaufnahmestelle
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
Im Betrieb werden Reaktionsgase (in
Das Reaktorröhrchen
Das Reaktorröhrchen ist stromaufwärts an einen Reaktionsgaszufuhranschluss
Der Ofen
Die Resonatorkavität wurde über eine Apertur mit einem Wellenleiter
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. 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.
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: 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:
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. 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. 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
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
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 (
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
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
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
Mit zunehmender Temperatur konnte sowohl ein Anstieg des reellen als auch des imaginären Teils der Permittivität beobachtet werden (
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 (
Jedoch wurde im Arrhenius-Plot fast keine Temperaturabhängigkeit im Bereich unterhalb von etwa 200°C beobachtet. Ein ähnlicher Trend wurde bereits von
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in den
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
Das Einschalten des magnetischen Gleichfelds B führt nun zu leicht erfassbaren Änderungen der Mikrowellenleistung der sekundären Mode am Anschluss
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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|---|---|
| WO2012160089A1 (en) | 2012-11-29 |
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