Prof. Dr. Martin Muhler

    Prof. Dr. Martin Muhler

NBCF 04/691          0234 32 287 54        muhler@techem.rub.de

SFB 558    CES    IFCS    SurMat    Solvation   CeNIDE   vfch

Heterogene Katalysatoren  sind für die großindustrielle Produktion unverzichtbar und bilden auch zahlreiche Anwendungen in Raffinerien, bei der Energiewandlung und im Umweltschutz. Bislang beruhte ihre Entdeckung und Optimierung oft dem Trial-and-Error-Prinzip. Es gibt nur wenige Beispiele, in denen ein umfassendes Verständnis ihrer Wirkungsweise auf atomarer Ebene erreicht wurde.

Der Lehrstuhl für Technische Chemie in Bochum betreibt Grundlagenforschung auf dem Gebiet der heterogen Katalyse und der wissensbasierten Entwicklung von heterogenen Katalysatoren. Die besondere wissenschaftliche Herausforderung besteht in der Aufklärung der Reaktionsschritte auf Elementarschritt-Niveau und ihrer strukturellen Voraussetzungen an industriell relevanten Katalysatoren, die meist aus einer Vielzahl von Phasen und Komponenten bestehen, oft in Form von Nanopartikeln oder röntgenamorphen dünnen Schichten.

Die untersuchten Reaktionen gehören zur industriellen Redoxchemie. Zur Reduktionskatalyse zählen die Methanolsynthese, die Dampfkonvertierung von CO, die Fischer-Tropsch-Synthese oder die Synthese höherer Alkohole. Die Oxidationskatalyse umfasst die selektive Oxidation von Propen und Methanol, die oxidative Dehydrierung von Kohlenwasserstoffen, oder die selektive Oxidation von Alkoholen in der Gasphase und in der Flüssigphase. Seit einiger Zeit beschäftigen wir uns auch mit der Elektrokatalyse und der heterogenen Photokatalyse.

Für die Synthese der Katalysatoren steht uns ein breites Repertoire an Methoden zur verfügung, das auch die chemische Gasphasenabscheidung, die  Sprühtrocknung und die Fällung in einer Mikromischerkaskade beinhaltet. In den letzten Jahren sind das katalytische Wachstum von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und deren Oberflächenmodifikation zu einem neuen Schwerpunkt geworden, da die  CNTs vielfältige Anwendungen in der Elektrokatalyse finden. Zur Katalysatorcharakterisierung sind alle erforderlichen Routine-Techniken vorhanden mit einem Schwerpunkt auf Sorptions-Methoden.

Zur Optimierung der Katalysatoren benötigen wir zuerst umfangreiche stationäre kinetische Resultate. Deshalb stehen uns eine Vielzahl von kontinuierliche betriebenen Flussanlagen mit Online-Analytik zur Verfügung, die vollautomatisiert (LabVIEW) ein rasches Absuchen des Parameterraums erlauben. Die Rolle der einzelnen Elementarschritte wird mittels transienter kinetischer Methoden untersucht, die temperaturprogrammierte Experimente, Puls- und Konzentrationssprungdosierung und den Einsatz von Isotopen bis hin zur SSITKA-Technik umfassen. Alle transienten Experimente basieren auf der schnellen quantitativen Massenspektroskopie. Zusätzlich versuchen wir alle verfügbaren spektroskopischen Informationen mit einzubeziehen, wobei wir uns hauptsächlich auf die Infrarot- und die Röntgenphotoelektronenspektroskopie stützen. In den letzten Jahren ist es uns gelungen, die statische und die dynamische Mikrokalorimetrie als vielfältig einsetzbares Werkzeug auszubauen, um die Reaktivität von Katalysatoroberflächen quantitativ zu bestimmen.

Unsere Forschung trägt zu folgenden Forschungsverbünden bei: Der SFB 558 "Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse", die Research Departments Interfacial Systems ChemistryMaterials Research, und Plasma, das Zentrum für Elektrochemie (CES), alle an der Ruhr-Universität Bochum, sowie das Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CeNIDE).

Ausgewählte Publikationen
  1. Cocatalyst Designing: A Regenerable Molybdenum-Containing Ternary Cocatalyst System for Efficient Photocatalytic Water Splitting, G. W. Busser, B. Mei, P. Weide, P. C. K. Vesborg, K. Stuehrenberg, M. Bauer, X. Huang, M.-G. Willinger, I. Chorkendorff, R. Schlögl, M. Muhler, ACS Catal., 2015, 5, 5530-5539

  2. The effect of the Au loading on the liquid-phase aerobic oxidation of ethanol over Au/TiO2 catalysts prepared by pulsed laser ablation, W. Dong, S. Reichenberger, S. Chu, P. Weide, H. Ruland, S. Barcikowski, P. Wagener, M. Muhler, J. Catal., 2015, 330, 479-506

  3. Spinel Mn-Co Oxide in N-Doped Carbon Nanotubes as a Bifunctional Electrocatalyst Synthesized by Oxidative Cutting, A. Zhao, J. Masa, W. Xia, A. Maljusch, M.-C. Willinger, G. Clavel, K. Xie, R. Schlögl, W. Schuhmann, M. Muhler, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 7551-7554

  4. Methanol oxidation as probe reaction for active sites in Au/ZnO and Au/TiO2 catalysts, K. Kähler, M.C. Holz, M. Rohe, A.C. van Veen, M. Muhler, J. Catal., 2013, 299, 162-170

  5. Nitrogen- and Oxygen-Functionalized Multiwalled Carbon Nanotubes Used as Support in Iron-Catalyzed, High-Temperature Fischer-Tropsch Synthesis, H.J. Schulte, B. Graf, W. Xia, M. Muhler, ChemCatChem, 2012, 4, 350-355

  6. Optimizing the synthesis of cobalt-based catalysts for the selective growth of multiwalled carbon nanotubes under industrially relevant conditions, M.J. Becker, W. Xia, J.-P. Tessonnier, R. Blume, L. Yao, R. Schlögl, M. Muhler, Carbon, 2011, 49, 5253–5264

  7. Stearate-based Cu colloids in methanol synthesis: structrual changes driven by strong metal-support interactions, S. Schimpf, A. Rittermeier, X. Zhang, Z. Li, M. Spasova, M. van den Berg, M. Farle, Y. Wang, R. Fischer, M. Muhler, ChemCatChem, 2005, 2, 214-222

  8. Electrocatalytic activity and stability of nitrogen-containing carbon nanotubes in the oxygen reduction reaction, S. Kundu, T. C. Nagaiah, W. Xia, Y. Wang, S. van Dommele, J. H. Bitter, M. Santa, G. Grundmeier, M. Bron, W. Schuhmann, M. Muhler, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 14302-14310

  9. A highly efficient gas-phase route for the oxygen-functionalization of carbon nanotubes based on nitric acid vapor,, 9. W. Xia, C. Jin, S. Kundu, M. Muhler, Carbon, 47, 2009, 919-922

  10. High surface area ZnO nanoparticles via a novel continuous precipitation route, R S. Kaluza, M. K. Schröter, R. Naumann d'Alnoncourt, T. Reinecke, M. Muhler, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 3670-3677