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Rutheniumdioxid als Modellkatalysator

Kinetische, spektroskopische und strukturelle Untersuchungen an metallischen und oxidischen Realkatalysatoren und Einkristalloberflächen

Wir beschäftigen uns mit der Frage der Aktivitäts-Strukturbeziehungen von einfachen Reaktionen auf Ruthenium-Einkristalloberflächen, vornehmlich auf der ultradünnen RuO2(110)-Oberfläche, deren Wachstum, Struktur und Aktivität wir über die letzten Jahre im Detail untersucht haben [1, 2].

Gegenstand unserer Untersuchungen sind hierbei sowohl die mechanistischen Reaktionsabläufe auf atomarer Ebene, als auch strukturelle oder elektronische Veränderungen der Katalysatoroberfläche unter Reaktionsbedingungen. Diese werden sowohl in situ, also während der Reaktion verfolgt, oder nach Beendigung der Reaktionen durch Vergleich mit den Startstrukturen ermittelt.

Für die Untersuchungen setzen wir oberflächenempfindliche Messmethoden wie die Beugung langsamer Elektronen (LEED), die Reflektions-Absorptions-Infrarot-Spektroskopie (RAIRS) mit Kohlenstoffmonoxid als Sondenmolekül, die Rastertunnelmikroskopie (STM), sowie die Auger-Elektronen-Spektroskopie und Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (XPS) bei uns vor Ort ein. Im Rahmen von Kooperationen mit Forschungseinrichtungen im In- und Ausland werden zudem mit Synchrotronstrahlung hoch aufgelöste Oberflächenröntgenbeugung (SXRD) sowie Rumpfniveau-Verschiebungsspektroskopie (HRCLS) betrieben.

Die Erfassung von Reaktionsprodukten und kinetischen Daten erfolgt mittels Massenspektrometrie. Hierbei werden on-line sowohl Reaktionsprodukte sowie Edukte über die Zeit verfolgt. Es lassen sich aber auch gezielt Koadsorbate bei tiefen Temperaturen auf die Oberfläche bringen, deren Desorptionsprodukte dann in Abhängigkeit von der Temperatur verfolgt werden, der so genannten temperaturprogrammierten Reaktion (TPR).

Zu den in den letzten Jahren untersuchten Reaktionen gehören die Oxidation von Kohlenmonoxid [3, 4, 5], die Ammoniak-Oxidation [6], als auch die Chlorwasserstoff-Oxidation [7, 8].

 Kooperationspartner:


Abb. 1 Katalysezyklus der HCl-Oxidation
Abb. 2 HRCL- und TPR-Experimente gekoppelt mit DFT Rechnungen zur Aufklärung des Reaktionsmechanismus

Literatur

 

[1] H. Over, Y. D. Kim, A. P. Seitsonen, S. Wendt, E. Lundgren, M. Schmid, P. Varga, A. Morgante, and G. Ertl Atomic scale structure and catalytic reactivity of the RuO2(110) surface Science, 2000, 287, 1474.
[2] Y. B. He, M. Knapp, E. Lundgren, and H. Over Ru(0001) model catalyst under oxidizing and reducing reaction conditions: In-situ high-pressure surface x-ray diffraction study J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 21825.
[3] H. Over, O. Balmes, and E. Lundgren In Situ Structure-Activity Correlation Experiments of the Ruthenium Catalyzed CO Oxidation Reaction Catal. Today, 2009, 145, 236.
[4] A. Farkas, G. Ch. Mellau, and H. Over Novel Insight in the CO Oxidation on RuO2(110) by in Situ Reflection-Absorption Infrared Spectroscopy J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 14341.
[5] H. Over, O. Balmes, and E. Lundgren Direct Comparison of the Reactivity of the Non-Oxidic Phase of Ru(0001) and the RuO2 Phase in the CO Oxidation Reaction Surf. Sci., 2009, 603, 298.
[6] A. P. Seitsonen, D. Crihan, M. Knapp, A. Resta, E. Lundgren, J. N. Andersen, and H. Over Reaction Mechanism of Ammonia Oxidation over RuO2(110): A Combined Theory/Experiment Approach Surf. Sci., 2009, 603, L113.
[7] D. Crihan, M. Knapp, S. Zweidinger, E. Lundgren, C. J. Weststrate, J. N. Andersen, A. P. Seitsonen, and H. Over Stable Deacon Process for HCl Oxidation over RuO2 Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 2131.
[8] S. Zweidinger, D. Crihan, M. Knapp, J. P. Hofmann, A. P. Seitsonen, C. J. Weststrate, E. Lundgren, J. N. Andersen, and H. Over Reaction Mechanism of the Oxidation of HCl over RuO2(110) J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 9966.

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