Die katalytische Aktivität beschreibt die Fähigkeit eines Katalysators, eine chemische Reaktion zu beschleunigen, indem er die Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber der unkatalysierten Reaktion unter sonst gleichen Prozessbedingungen erhöht. Die Aktivität ist ein zentrales Maß für die Effektivität eines Katalysators und spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl und Optimierung von Katalysatoren für industrielle Anwendungen. Es existieren verschiedene Methoden, um die katalytische Aktivität zu quantifizieren und unterschiedliche Katalysatoren zu vergleichen.

Grundlegende Konzepte

Die Aktivität eines Katalysators wird oft als Reaktionsgeschwindigkeit angegeben, die entweder auf das Volumen des Reaktors, die Katalysatormasse oder die spezifische Oberfläche des Katalysators bezogen wird. Diese spezifischen Maße erlauben eine normierte Darstellung und einen präzisen Vergleich von Katalysatoren unterschiedlicher Natur.

Die Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich beispielsweise als zeitliche Änderung der Stoffmenge eines Reaktanden im Reaktionsvolumen definieren:

Aktivierungsenergie

Die katalytische Aktivität wird stark von der Temperatur T beeinflusst, da die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur steigt. Dies wird durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben:

Dabei ist die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, die Aktivierungsenergie, ​ der präexponentielle Faktor, welcher der maximalen Reaktionsgeschwindigkeit bei unendlich hoher Temperatur entspricht und die universelle Gaskonstante. Die Aktivierungsenergie ist hingegen ein Maß für die Energiebarriere, die durch den Katalysator reduziert wird. Ein Katalysator, welcher zu einer niedrigerer Aktivierungsenergie führt, weist eine höhere Aktivität auf, da er die Reaktion erleichtert. Bei heterogenen Katalysatoren ist die spezifische Oberfläche ein Schlüsselfaktor für die katalytische Aktivität. Ein höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Reaktanden mit aktiven Zentren interagieren. Daher ist es sinnvoll, die katalytische Aktivität auf die spezifische Oberfläche zu normieren, um eine objektive Vergleichsbasis zu schaffen.

Messeinheiten

Die Turnover Frequency (TOF) ist ein präzises Maß für die katalytische Aktivität, da sie die Anzahl der umgesetzten Moleküle pro Sekunde und pro aktives Zentrum beschreibt. Diese Größe ist unabhängig von der Katalysatormasse und gibt Aufschluss über die intrinsische Effizienz der aktiven Zentren. Somit ist die TOF eine geeignete Messgröße, um die Effizienz von verschiedenen Katalysatoren untereinander zu vergleichen.

Die Bestimmung der aktiven Zentren kann dabei indirekt über eine BET- oder Chemisorptions-Analyse erfolgen, welche die spezifische, bzw. aktive Oberfläche in m²/g angibt.

Messmethode

Eine häufig genutzte, simplere Methode zur Bestimmung der Aktivität ist die Messung des Umsatzes , also des Anteils der umgewandelten Reaktanden im Vergleich zur ursprünglich eingesetzten Menge :

Ein Katalysator mit einer höheren TOF wird auch einen höheren Umsatz erzielen. Dabei kann der Umsatz in Abhängigkeit der Temperatur oder der Raumgeschwindigkeit (GSVH) ermittelt werden, um die Parameter zu bestimmen, bei welchen der Katalysator einen gewünschten Umsatz erzielt.

Fazit

Die katalytische Aktivität ist eine Eigenschaft, die sowohl von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Katalysators als auch von den Prozessbedingungen abhängt. Verschiedene Ansätze zur Charakterisierung der Aktivität erlauben es, Katalysatoren zu vergleichen und die Effizienz katalytischer Prozesse zu bewerten. Ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist essenziell für die Entwicklung und Optimierung leistungsstarker Katalysatoren.