Um die Bildung der Katalysatoren beim Hochheizen bzw. Tempern zu untersuchen und die Teilschritte der Reaktionen zu verstehen, bietet sich das analytische Verfahren der thermischen Analyse, gekoppelt mit einem Massenspektrometer, an, um Aufschluss über die Teilreaktionen und deren Stoffumsatz zu erhalten. Grundlagen der thermischen Analyse sind bei Hemminger und Cammenga [1] beschrieben und in der DIN-Vorschrift 51006 [2] umgesetzt.
Eine Probe bekannter Masse wird dazu in einem Al2O3-Tiegel auf den Probenträger aufgesetzt. Die Probe wird in strömender Atmosphäre (Argon-Schutzgas) durch einen vertikal stehenden Ofen aufgeheizt. Während der thermischen Zersetzung werden simultan Masseverlust der Probe und freigesetzte Gas-Spezies gemessen. Im Gasstrom transportierte Gase werden über eine Rohr- und Skimmerblende zur Ionisierungskammer des Quadrupol-Massenspektrometers geführt. Dazu wird das Gas von 103 mbar auf 1 10-1 mbar in einer ersten Druckstufe und schließlich im Hochvakuumbereich auf 1 10-5 mbar entspannt.
Bei der Thermogravimetrie wird die Masseänderung einer Probe in Abhängigkeit von Temperatur oder Zeit gemessen. Es ist jedoch möglich, den Versuch stufenweise mit isothermen Zwischenschritten, verbunden durch unterschiedliche Heizraten, durchzuführen.
Die Versuche werden in einem offenem System durchgeführt, sich bildende gasförmige Produkte wurden in einem Inertgasstrom (Argon) aus dem System abgeführt und massenspektrometrisch analysiert.
Die Masseänderung hängt nicht nur von den Materialeigenschaften oder dem Temperatur-Zeit-Programm ab, sondern auch von der Atmosphäre im Probenraum. Die umgebende Atmosphäre ist bei thermogravimetrischen Untersuchungen üblicherweise ein inertes Gas, das die Probe laminar umströmt. Aus dem Probentiegel werden gasförmige Reaktionsprodukte durch die Gasströmung schnell genug entfernt, so dass kein Rückstrom und somit keine Rückreaktion auftreten können, wie es in einem geschlossenen System der Fall wäre.
Während der Messung kann sich die Masse durch Auftriebseffekte scheinbar erhöhen. Dies tritt auf, wenn sich bei konstanter Dichte das Probenvolumen ändert (z.B. beim Aufschäumen einer Substanz) oder wenn sich durch Erhitzen des Inertgases dessen Dichte gemäß dem allgemeinen Gasgesetz verringert. Messkurven mit Auftriebswirkung wurden korrigiert, indem der Tiegel mit der Restmasse nach der Messung noch einmal das Temperatur-Zeit-Programm durchläuft. Die Auftriebskorrekturkurve wird von der TG-Messkurve subtrahiert, so dass eine auftriebskorrigierte TG-Kurve erhalten wird.
Bei der Entwässerung eines Hydrats erfährt ein Pulver eine raschere Abgabe des Wassers als ein Einkristall gleicher Masse. Dies rührt daher, dass in der Pulverprobe das Reaktionsprodukt (Wasserdampf) rasch an die Oberfläche der Pulverkörner gelangt und in die Gasphase abgegeben werden kann, was die Geschwindigkeit der Abbaureaktion erhöht.
Weiterhin kann an der Oberfläche der Probe das Reaktionsprodukt adsorbieren, wenn entsprechende Adsorptionszentren vorhanden sind. Eine Probenvorbehandlung kann dies verhindern.