In dieser Arbeit wurden verschieden geträgerte (CeO₂, TiO₂, TiOₓ/CeO₂) Vanadiumoxidkatalysatoren und ein bulk Oxid-Katalysator (Fe₂(MoO₄)₃) untersucht, um ihre grundlegenden Eigenschaften zu verstehen und die Reaktionsmechanismen während der oxidativen Dehydrierung (ODH) von Propan aufzuklären. Die verwendeten Katalysatoren basieren auf reduziblen Materialien, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie durch die Bereitstellung von Sauerstoff aktiv an der Reaktion teilnehmen und dadurch die Performance des Katalysators signifikant beeinflussen können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten eines rationalen Katalysatordesigns für neue Materialien mit verbesserter katalytischer Leistung. ODH-Reaktionen ermöglichen durch signifikante Energie- und Ressourceneinsparung eine Route zur umweltfreundlicheren Synthese von Basischemikalien, die durch die Nutzung von CO₂ als ubiquitäres Treibhausgas sogar klimaneutral gestaltet werden kann. Daher wurde der Einfluss der Verwendung von O₂ und CO₂ als Oxidationsmittel untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss verschiedener Trägermaterialien, Nuklearitäten und Oxidationsmittel auf den Reaktionsmechanismus zu verstehen und dieses Wissen am Ende für ein rationales Design von geträgerten Katalysatoren zu nutzen und auf das analytisch schwerer zugängliche Verhalten von bulk Oxiden zu übertragen. Für die mechanistische Analyse wurde eine Kombination von in situ und operando Methoden eingesetzt. Multi-Wellenlängen-Raman-Spektroskopie in Kombination mit UV-Vis-Spektroskopie ermöglicht die Untersuchung der Sauerstoffdynamik in der aktiven Phase und dem Träger. Die transiente Modulations-Anregungs-(ME-)IR-Spektroskopie wurde zur Identifizierung aktiv an der Reaktion beteiligter Adsorbat- und Vanadiumoxid-Spezies sowie des schnellen Wasserstofftransfers an der Oberfläche verwendet. Letzterer ist dabei besonders wichtig, da der initiale C-H Bindungsbruch oft als geschwindigkeitsbestimmender Schritt identifiziert wird. Diese Spektroskopien bilden den Kern der meisten mechanistischen Untersuchungen in dieser Arbeit, doch wurden je nach System und spezifischer Fragestellung weitere Methoden eingesetzt. Dazu gehören die Röntgenbeugung (XRD) zur Überwachung verschiedener Kristallstrukturen, die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) zur Überwachung der Oxidationszustände auf der Katalysatoroberfläche, die 51V Festkörper-Kernspinresonanzspektroskopie (ssNMR), um die nuklearitätsabhängige Analyse von Vanadiumoxid zu ermöglichen und die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) zur direkten Überwachung von Massentransportphänomenen in bulk Oxiden. Zusätzlich wurden dichtefunktionaltheoretische Rechnungen (DFT) als unterstützende Methode eingesetzt. In einem ersten Schritt wurden grundlegende Eigenschaften des VOₓ/CeO₂ Systems untersucht. In theoretischen Untersuchungen zur Schwingungsstruktur des Materials mittels DFT wurden Raman-Spektren in Abhängigkeit von der Nuklearität simuliert und das beladungsabhängige Verhalten charakterisiert. Weiterhin wurde die Reduzierbarkeit der VOₓ/CeO₂-Katalysatoren mittels der Reduktion in H₂ und das Reoxidationsverhalten unter Verwendung von CO₂, ausgehend von einem teilreduzierten Zustand, untersucht. Das Reduktionsverhalten an der Oberfläche und im Volumen wird stark von der Nuklearitätsverteilung von Vanadiumoxid beeinflusst, die wiederum die Sauerstoffmobilität in Ceroxid beeinflusst. Ein ähnliches nuklearitätsabhängiges Verhalten tritt bei der Regeneration mit CO₂ auf, bei der Ceroxid über Karbonatspezies reoxidiert wird. Vanadium-oxidspezies blockieren diese Regenerationsstellen, da sie über Oberflächensauerstoff verankert sind. Kurzkettige Vanadiumoxidspezies können aufgrund ihrer niedrigeren thermodynamischen Stabilität im Vergleich zu länger kettigen Vanadiumoxidspezies nur teilweise reoxidiert werden, wohingegen letztere aufgrund ihrer erhöhten Stabilität vollständig reoxidiert werden können. Als nächstes wurde der Reaktionsmechanismus der Propan ODH mit O₂ als Oxidationsmittel über VOₓ/CeO₂ Katalysatoren in Abhängigkeit von der Vanadiumoxid-Beladung untersucht. Dieser ist relevant, um die nachhaltigere Synthese der Basischemikalie Propylen zu optimieren und die Propan-ODH industriell relevanter zu machen. Hierbei wurde der Oberflächensauerstoff des Ceroxidgitters als aktive Stelle identifiziert. Dimere und oligomere Vanadiumoxidspezies fungieren als Transferstelle für die Übertragung von Wasserstoff auf den Oberflächensauerstoff des Ceroxidgitters und für die Koordination von Propan. Monomere Spezies nehmen nicht aktiv an der Reaktion teil, interagieren aber mit den Sauerstofffehlstellen von Ceroxid und blockieren diese. Im Vergleich dazu zeigt sich bei der Verwendung von CO₂ als Oxidationsmittel ein komplexeres Reaktionsnetzwerk, bei dem die Dehydrierung von Propan eine Rolle spielt, aber die Totaloxidationsreaktion aufgrund der hohen Sauerstoffmobilität in Ceroxid immer noch sehr ausgeprägt ist. Das Reaktivitätsverhalten hängt dabei stark von den Vorbehandlungsbedingungen ab. Vanadiumoxid vermindert die Prävalenz der Totaloxidationsreaktion und erhöht die Gesamtaktivität des Katalysators. Die Oberfläche wird durch die Bildung stabiler Karbonatspezies unter Reaktionsbedingungen teilweise deaktiviert. Um den Einfluss des Trägermaterials auf den Reaktionsmechanismus der Propan ODH zu verstehen, wurden VOₓ/TiO₂-Katalysatoren unter Verwendung von TiO₂ P25 als Trägermaterial untersucht. In diesen Katalysatoren fungieren die V=O- und V-O-V-Gruppen des Vanadiumoxids als die wichtigste aktive Spezies. Das Titandioxid sorgt für die Übertragung des Wasserstoffs auf das Vanadiumoxid und beeinflusst ebenfalls dessen Nuklearität über das Anatas/Rutil-Verhältnis im Träger. Im Vergleich zur Verwendung von CeO₂-Trägern ist das VOₓ/TiO₂-System bei der Benutzung von CO₂ als Oxidationsmittel hochselektiv für die Dehydrierung von Propan und zeigt Aktivitäten, die mit CrOₓ-Katalysatoren vergleichbar sind. Die einzige Nebenreaktion ist die Propantrockenreformierung. Die katalytische Leistung ist jedoch nicht stabil. Die Deaktivierung des Katalysators wird durch die vollständige Reduktion und zu langsame Regeneration des Katalysators verursacht. Die Regenerationsrate des Katalysators wird durch die Gegenwart des Vanadiumoxids erhöht, das die Bildung von Rutil katalysiert und aktiv am Redoxzyklus teilnimmt, wodurch die Regenerationsrate des Katalysators erhöht und die Gesamtselektivität gesteigert wird. Auf Grundlage des zuvor beschriebenen mechanistischen Wissens zur Propan ODH über VOₓ/CeO₂- und VOₓ/TiO₂-Katalysatoren wurde der Versuch eines Katalysatordesigns unternommen, indem mittels Atomlagenabscheidung (atomic layer deposition, ALD) zunächst ein TiOₓ/CeO₂-Trägersystem mit variabler TiOₓ-Beladung synthetisiert und anschließend mit Vanadiumoxid beladen wurde. Dadurch wird einerseits eine aktive Beteiligung der Sauerstoffatome aller drei Oxide ermöglicht, andererseits aber ein Großteil der unselektiven Oberflächensauerstoffatome auf der Ceroxidoberfläche mit Titandioxid bedeckt, welches zudem Vanadiumoxid koordiniert. Insgesamt wird durch diesen Ansatz eine höhere Selektivität als bei den Zweikomponentenoxiden erreicht. Abschließend wurde als kommerzieller bulk Oxid-Katalysator Fe₂(MoO₄)₃ untersucht. Dieser unterscheidet sich von einem geträgerten Katalysator dadurch, dass es sich um kein homogenes Material handelt, sondern ein gradueller Übergang von der stöchiometrischen bulk Struktur hin zu einer veränderten Struktur an der Oberfläche erfolgt, welche alle an der Reaktion beteiligt sind und individuelle Rollen übernehmen. Dies macht ein solches Katalysatorsystem komplexer als ein geträgertes, da nicht nur an der Katalysatoroberfläche, sondern auch im Volumen relevante Prozesse stattfinden können. In Vorarbeiten wurde zunächst ein Einfluss der Synthesebedingungen auf die Struktur, Phasenzusammensetzung und das Mo/Fe Verhältnis von Fe₂(MoO₄)₃ u.a. mittels Raman- und XP-Spektroskopie festgestellt. Mechanistische Untersuchungen während der Propan-ODH mittels operando- und transienter Spektroskopie ergaben, dass der Gittersauerstoff für die Reaktion von großer Bedeutung ist. Wasserstoff kann durch eine Schicht aus amorphem MoOₓ, die sich auf der Katalysatoroberfläche ausbildet, auf das Gitter übertragen werden, wodurch die Selektivität gesteigert werden kann. Hier kann eine Diffusion des Wasserstoffs in den oberflächennahen Bereich des Katalysators stattfinden, wo es zur Bildung von Wasser kommen kann und eine Fehlstelle direkt im Gitter induziert werden kann. Die Regeneration des Gitters erfolgt durch Diffusion aus dem bulk oder durch einen Phasenübergang zu FeMoO₄. Die Mobilität des Sauerstoffs im Katalysator hängt dabei stark vom Eisengehalt des Materials ab. Diese Arbeit zeigt, dass die Kombination von operando- und transienter Spektroskopie, unterstützt durch DFT, eine detaillierte Beschreibung des Mechanismus von ODH Reaktionen über geträgerten und bulk Oxid-katalysatoren ermöglicht. Dies ist von großer Bedeutung für das rationale Design neuer Katalysatormaterialien, um neue Prozesse zu entwickeln bzw. um den aktuellen Stand bestehender katalytischer Prozesse zu verbessern und damit die Nachhaltigkeitstransformation in der chemischen Industrie voranzutreiben. In diesem Zusammenhang wurde anhand des erfolgreichen rationalen Designs eines Trägermaterials demonstriert, dass die Propan-ODH-Selektivitäten (im Vergleich zu anderen Materialien) durch ein detailliertes Verständnis des Reaktionsmechanismus signifikant erhöht werden können. Insgesamt zeigt sich die große Bedeutung der Kombination komplementärer spektroskopischer Methoden unter Reaktionsbedingungen, um ein vollständiges Bild der Wirkungsweise von Katalysatoren zu erhalten und eine Unterscheidung zwischen Oberflächen-, Untergrund- und Bulk-Prozessen sowie deren Wechselspiel zu ermöglichen.