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Main Title: The interaction of hydrogen with CeO2 (111)/Ru (0001) and surface action spectroscopy
Subtitle: setup and first experiments
Translated Title: Die Wechselwirkung von Wasserstoff mit CeO 2 (111)/Ru (0001) und Oberflächenaktionsspektroskopie
Translated Subtitle: Aufbau und erste Experimente
Author(s): Plucienik, Agata
Advisor(s): Freund, Hans-Joachim
Referee(s): Freund, Hans-Joachim
Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The first part of this thesis describes the setup of an apparatus for vibrational surface action spectroscopy as well as first experiments with this new method employing infrared radiation from the free electron laser of the Fritz Haber Institute. Vibrational action spectroscopy has been used previously mostly for the characterization of clusters in the gas phase. We have extended this method towards an application to solid surfaces with a V2O3(0001) film on Au(111) as a model system for the first studies. This oxide has vanadyl groups at the surface but not in the bulk, and therefore these groups could be used to show that the method is surface sensitive. The second part of my thesis treats the interaction of hydrogen with CeO2(111) thin films on Ru(0001). Experiments are carried out under UHV conditions using different surface science techniques such as low energy electron diffraction (LEED), thermal desorption spectroscopy (TDS), high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and scanning tunneling microscopy (STM). Cerium oxide (ceria) plays a crucial part in catalytic reactions due to its ability to store and release oxygen. There are many studies about the interaction of atomic hydrogen with ceria, but a comprehensive picture is still lacking. Hydrogen was dosed at pressures of at least 10 mbar in the studies discussed here. Stoichiometric CeO2(111) is not very much affected by exposure to hydrogen at room temperature, while, contrary to results found in the literature, exposure to reduced CeO2(111) does not lead to the formation of hydroxyl groups but to hydride species. Moreover, the Ce3+ in the reduced oxide is re-oxidized to Ce4+. At elevated temperatures, hydrogen additionally reduces the sample. This thesis confirms that oxygen vacancies play an important role in the interaction of hydrogen molecules with CeO2(111), and it confirms that hydrogen may be stored as a hydride species in the oxide. The electronic and morphological changes through the hydrogenation process are discussed.
Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt den Aufbau einer Apparatur für die Schwingungs-Aktions-Spektroskopie von Oberflächen und erste Versuche mit dieser neuen Methode unter Verwendung von Infrarotstrahlung des Freie-Elektronen-Lasers des Fritz-Haber-Instituts. Schwingungs-Aktions-Spektroskopie wurde bisher hauptsächlich zur Charakterisierung von Clustern in der Gasphase eingesetzt. Wir haben die Methode für die Anwendung auf feste Oberflächen erweitert. Erste Studien wurden mit einem V2O3(0001) Film auf Au(111) als Modellsystem durchgeführt. An der Oberfläche dieses Oxids befinden sich Vanadylgruppen, die sich aber nicht im Volumen finden. Daher konnten diese Gruppen verwendet werden, um zu zeigen, dass die Methode oberflächensensitiv ist. Der zweite Teil meiner Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung von Wasserstoff mit CeO2(111) Dünnschichten auf Ru(0001). Die Experimente wurden unter UHV-Bedingungen unter Verwendung verschiedener oberflächensensitiver Techniken wie der Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS), hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) und Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Ceroxid (Ceria) spielt aufgrund seiner Fähigkeit, Sauerstoff zu speichern und freizusetzen, eine entscheidende Rolle bei katalytischen Reaktionen. Es gibt viele Studien zur Wechselwirkung von atomarem Wasserstoff mit Ceroxid, die aber bislang kein einheitliches Bild ergeben. In den hier diskutierten Studien wurde Wasserstoff bei Drücken von 10 mbar und mehr dosiert. Stöchiometrisches CeO2(111) wechselwirkt nicht nennenswert mit Wasserstoff bei Raumtemperatur, während die Wechselwirkung mit reduziertem CeO2(111) im Widerspruch zu Literaturberichten nicht zu Hydroxylgruppen, sondern zu einer Hydridspezies führt. Darüber hinaus wird das Ce3+ im reduzierten Oxid zu Ce4+ oxidiert. Bei erhöhten Temperaturen reduziert Wasserstoff zusätzlich die Probe. Diese Arbeit zeigt, dass Sauerstofffehlstellen eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung von Wasserstoffmolekülen mit CeO2(111) spielen und dass Wasserstoff als Hydridspezies im Oxid gespeichert werden kann. Die elektronischen und morphologischen Veränderungen während des Hydrierungsprozesses werden diskutiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10320
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9282
Exam Date: 7-Nov-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 18-Dec-2019
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): vibrational spectroscopy
free-electron laser
surface action spectroscopy
Schwingungsspektroskopie
Freie-Elektronen-Laser
Schwingungs-Aktions-Spektroskopie
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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