Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2195
Main Title: Resonance Forcing in Catalytic Surface Reactions
Translated Title: Resonantes Forcen von katalytischen Oberflächenreaktionen
Author(s): Kaira, Prabha
Advisor(s): Engel, Harald
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die vorliegende Arbeit untersucht theoretisch und experimentell die raumzeitliche Musterbildung der CO-Reaktion auf Pt(110) mit den Methoden der nichtlinearen Dynamik. Die Reaktion selbst ist eine gut erforschte und verstandene chemische nichtlineare Reaktion auf einer Einkristalloberfläche. Es werden hier die statistischen und nichtlinearen Eigenschaften (wie Chaos, Turbulenz, Defekte, Cluster) der Musterbildung dieser chemischen Reaktion in Abhängigkeit von Druck und Druckmodulation betrachtet. Die Untersuchungen werden in einer UHV-Kammer von 10−10 mbar Basisdruck durchgeführt. Die Musterbildung der Reaktion auf der Pt(110)-Oberfläche wird mit einem Photoelektronenmikroskop (PEEM) beobachtet. Ein spezieller neu entwickelter Kompressor erlaubt CO-Druckmodulationen großer Amplitude in der UHV-Kammer. Die Reaktionen werden in subharmonischen 2:1, 3:1, und 4:1 Resonanzen des Verhältnisses Anregungsfrequenz (forcing frequency) zur mittleren natürlichen Fourier-Eigenfrequenz(natural frequency) der Katalysatorfläche betrieben. In der 2:1 Resonanz kann die chemische Turbulenz durch die erzwungenen Schwingungen unterdrückt werden. Mit steigender Amplitude dieser Modulation kann man dann über eine Periodenverdopplungskaskade die Musterbildung der chemischen Reaktion ins Chaos treiben. Bei der 3:1 Resonanz werden zwei-, drei und sechs-Phasencluster beobachtet, was mit einer entsprechenden subharmonischen Synchronisation (entrainment) des System einhergeht. Die 4:1 Resonanz wird im turbulenten und nicht-turbulenten Bereich untersucht. Im turbulenten Bereich werden 4-Phasencluster gefunden, im nicht-turbulenten Bereich 2-Phasencluster. Die Experimente werden mit Simulationen des gängigen realistischen Krischer, Eiswirth, und Ertl (KEE) Modells verglichen. Das Modell zeigt einen signifikanten Unterschied wischen der Eigenfrequenz eines einzelnen (Punkt-)Oszillators und der mittleren Eigenfrequenz des flächig verteilten Systems im turbulenten Bereich. Die natürliche Eigenfrequenz der Fläche ist größer als die des einzelnen-Punkt-Oszillators. Im nicht-turbulenten Bereich tritt dieser Unterschied nicht auf, weil hier die diffusive Kopplung über die Fläche geringer ist. In den meisten Fällen zeigen die Simulationen qualitativ dasselbe Verhalten wie die Experimente. In den Simulationen konnten jedoch keine 2:1 Amplituden-Cluster reproduziert werden Umgekehrt konnten im nicht turbulenten Bereich die theoretisch vorhergesagten 4-Phasen-Cluster nicht experimentell beobachtet werden. Weiterhin wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit die statistischen Eigenschaften chemischer Turbulenz anhand der topologischen Defekte untersucht. Bei steigendem CO-Druck konnte eine Erhöhung der Defektanzahl nachgewiesen werden.
Pattern formation is a subfield of nonlinear science. In the last few decades pattern forming processes in non-equilibrium systems have been extensively studied. A well known example of pattern-forming non-equilibrium systems is CO oxidation on Pt(110). The dynamics of the reaction are widely understood. Thus, CO oxidation on Pt(110) is utilized as a well-suited model system for the analysis of spatial and temporal pattern formation. A large part of the present work is focused on the effects of periodic external forcing on chemical turbulence in CO oxidation on Pt(110), investigated both experimentally and theoretically. Experiments are performed in an UHV chamber with a base pressure of 10−10 mbar. Photoemission electron microscopy (PEEM) is used to obtain spatially resolved images of adsorbate patterns on the catalytic Pt(110) surface. A compressor driven reactor which allows global gas-phase forcing for frequency modulations up to 4 Hz was specifically designed. Experiments are performed in different resonant forcing regimes such as 2:1, 3:1, and 4:1. Under 2:1 forcing, experiments show that periodic forcing on chemical turbulence may suppress spatial turbulence and could lead to a chaotic response of the system. The path to chaos is given by a period doubling cascade, which could be experimentally followed by the subsequent increase of the forcing amplitude. Two different types, phase clusters and amplitude clusters, are found. At 3:1 forcing, two, three, and six phase clusters are found at 2:1, 3:1, and 6:1 entrainment respectively. 4:1 resonance forcing is performed in turbulent and nonturbulent regimes. In turbulent regime, four phase clusters are observed while in nonturbulent regime, two phase clusters are observed. The experimental results are compared with numerical simulations by using the realistic Krischer, Eiswirth, and Ertl (KEE) model. An analysis of the KEE model reveals significant differences between the oscillation frequency of the single oscillator and the mean frequency of the extended system, which appears to be higher in the turbulent state. Numerical simulations support the findings of experimental results with only small deviations found. Under 2:1 forcing, only phase clusters are observed numerically, while under 4:1 forcing in nonturbulent regime, the four phase patterns could not be observed experimentally. Thus, the results of this work demonstrate that by means of periodic forcing, turbulence can be effectively controlled and manipulated. Furthermore, the statistical properties of chemical turbulence are determined with increasing order of CO pressure experimentally.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22816
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2492
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2195
Exam Date: 3-Feb-2009
Issue Date: 16-Jul-2009
Date Available: 16-Jul-2009
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): CO-Oxidation auf Platin(110)
Entrainment
PEEM
Resonanzforcing
UHV
CO-oxidation on Pt(110)
Entrainment
PEEM
Resonance Forcing
UHV
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