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Die Frage nach der Wirkungsweise von Ruthenium-Trägerkatalysatoren und den Ursachen ihrer hohen Selektivität zu N2 bei der katalytischen Reduktion von NO mit H2 ist für die gezielte Entwicklung neuer SCR-Katalysatoren von zentraler Bedeutung.
Die Kinetik der an der Katalysatoroberfläche ablaufenden Vorgänge wurde mittels stationärer und transienter Methoden an hochreinen MgO- und gamma-Al2O3-geträgerten Ru-Katalysatoren untersucht. Die Präparation unter gut definierten experimentellen Bedingungen erlaubte die Herstellung von geträgerten Ru-Katalysatoren mit vergleichbarer Metallpartikelgröße und -dispersion, was eine vergleichende Analyse der Trägereffekte ermöglichte. Der Einfluß von Elektronendonatoren wurde am Beispiel des Cs-dotierten MgO-geträgerten Systems erforscht. Die Katalysatoren zeigten, sowohl mit H2 wie auch mit NH3 als Reduktionsmittel, die erwartete hohe Aktivität und Selektivität bei niedrigen Temperaturen, wobei keine besonderen Träger- bzw. Promotoreffekte festgestellt wurden.
Die in der Literatur formulierte Hypothese, daß die hohe Selektivität zu N2 mit der hohen katalytischen Aktivität Rutheniums bei der NH3-Zersetzung zu begründen sei, konnte mittels gezielter stationärer und transienter Untersuchungen der NH3-Zersetzungsreaktion widerlegt werden. Die Werte der scheinbaren Aktivierungsenergie und der Reaktionsordnungen, welche auf Träger- und Promotoreffekte bei der NH3-Zersetzungsreaktion hindeuteten, und die Inhibierung der NH3-Zersetzungsreaktion durch H2 sprechen gegen eine Beteiligung der NH3-Zersetzung an der Selektivität zu N2 bei der katalytischen NO-Reduktion.
Des weiteren wurden durch instationäre Versuche die Wechselwirkungen der einzelnen Reaktanden mit den Katalysatoren untersucht. Die experimentellen Ergebnisse führten zur Formulierung des folgenden Reaktionsmechanismus der katalytischen Reduktion von NO mit H2 auf Ru-Trägerkatalysatoren: Während der stationären Reaktion ist die Katalysatoroberfläche nahezu vollständig mit N–*, O–* und NO–* bedeckt. Ist die Temperatur hoch genug, so daß die Reaktion von O–* mit H2 zu H2O einsetzt, entstehen freie Plätze für die Dissoziation von NO–*. Unter stationären Reaktionsbedingungen wird bevorzugt N2 statt NH3 gebildet, da NO und H2 um dieselben Adsorptionsplätze konkurrieren, wobei NO–*, N–* und O–* stärker als H–* an die Oberfläche gebunden sind. Solange ausreichend NO in der Gasphase vorhanden ist, bleibt die Bedeckung an H–* gering, wodurch die Bildung von NH3 unterdrückt wird. Dabei ist die Reduktion von O–* durch H2 zu H2O der geschwindigkeitbestimmende Schritt, der die Mindesttemperatur für den 100%-igen NO-Umsatz bestimmt.
