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Main Title: Untersuchungen zur CO-Oxidation auf Platin mittels optischer Abbildungsmethoden
Translated Title: Studies of CO oxidation on platinum by optical imaging techniques
Author(s): Heumann, Jan Pawel
Advisor(s): Rotermund, Harm-Hinrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die CO-Oxidation auf Platin hat sich aufgrund ihrer einfachen Reaktionsdynamik zu einer vieluntersuchten Modellreaktion entwickelt. Untersuchungen an Einkristallen unter Ultrahochvakuum-Bedingungen zeigten bei konstanten Partialdrücken der Reaktanden einen oszillatorischen Verlauf der Reaktionsrate. Mit der Entwicklung von ortsaufgelösten adsorbatempfindlichen Meßverfahren wie "Photoemission Electron Microscopy " (PEEM) wurde erstmals die Bildung von zeitlich veränderlichen Adsorbatmustern auf Platin beobachtet. Die Übertragung der im Ultrahochvakuum gewonnenen Erkenntnisse auf die Realkatalyse im industriellen Prozeß ist vielfach nicht möglich, da zwischen den beiden Systemen ein Druckunterschied von mehr als sechs Größenordnungen besteht. Ein Ziel der heutigen Forschung ist es, eine Verbindung zwischen der Grundlagenforschung und der industriellen Anwendung herzustellen und somit den "pressure gap" zu überwinden. Dabei können viele der in der Oberflächenphysik verwendeten Meßmethoden aufgrund der eingeschränkten mittleren freien Weglänge der Elektronen nicht eingesetzt werden. Eine Alternative bietet der Einsatz optischer Meßmethoden, da diese nahezu druckunabhängig sind. Die hierfür in dieser Arbeit zum Teil entwickelten und eingesetzten Verfahren sind "Ellipsomicroscopy for Surface Imaging " (EMSI), "Reflection Anisotropy Microscopy" (RAM), "Fourier Transform Infrared Imaging" (FTIR Imaging) und "Infrared Thermography" (IRT). Die Verbesserung des Bildkontrasts von EMSI erlaubte erstmals die Rekonstruktion der Oberfläche indirekt abzubilden. Die Beobachtung eines sog. "Memory"-Effekts ergab neue Einblicke in die Abläufe der Musterbildung auf Pt(110). Aufgrund der thermisch aktivierten Aufhebung der Rekonstruktion konnten rekonstruierte Bereiche auf einer ansonsten nicht rekonstruierten Oberfläche für eine gewisse Zeit "eingefroren" werden. Detaillierte Untersuchungen der Kontrastmechanismen von EMSI und RAM ermöglichten ein besseres Verständnis der beiden Meßmethoden. Für die Musterbildung auf Pt(110) wurde somit ein Temperaturbereich gefunden, in dem die Adsorbatbedeckung und die Oberflächenstruktur getrennt abgebildet werden konnte. Bei der Untersuchung der CO-Oxidation auf Pt(100) wurde im mbar-Druckbereich die Bildung eines thermisch und chemisch stabilen Oberflächenoxids gefunden, welches nachweislich durch die Änderung der Oberflächenrekonstruktion hervorgerufen wurde. Für die CO-Oxidation auf polykristallinem Platin wurde erstmals die Bildung von globalen Temperaturozillationen und Temperaturfronten im mbar-Druckbereich beobachtet, die auf die periodische Bildung und Reduzierung eines Oxids zurückgeführt wurden. Weiterhin wurden mit RAM erstmals einzelne Kristallite einer polykristallinen Platin-oberfläche abgebildet und als (110)-Flächen identifiziert. Neben den Untersuchungen zur CO-Oxidation auf Platin wurde EMSI erfolgreich zur Abbildung von mikrostrukturierten Xylyl-Dithiol-Monolagen auf GaAs eingesetzt. Der Einsatz der optischen Abbildungsverfahren eröffnete neue Einblicke in die CO-Oxidation auf Platin. Die Messungen an Pt(100) und polykristallinem Platin stellen eine Annäherung an die Realkatalyse dar und demonstrieren die Druckunabhängigkeit der optischen Abbildungsverfahren. Die dabei beobachtete Oxidbildung hingegen zeigt die Druckabhängigkeit katalytischer Reaktionen.
CO oxidation on platinum has become a model reaction in surface science due to its simple reaction mechanism. Studies carried out under ultrahigh vacuum conditions with single crystals had shown that for a constant feed of the reactants the reaction rate can be oscillatory in time. With the invention of spatially-resolved adsorbate sensitive methods, as e.g. "Photoemission Electron Microscopy (PEEM), the pattern formation of adsorbates was imaged for the first time. Utilizing the results gained under ultrahigh vacuum conditions in the industrial process is often not possible, due a pressure difference of approximately six orders of magnitudes between the two systems. Bridging this "pressure gap turns out to difficult, because many of the surface scientist s tools, which rely on the detection of electrons, cannot be employed due to the electron s pressure dependent free mean path. The use of optical methods offers an alternative, since they are almost pressure independent. The methods, which in part were developed and employed in this thesis, are "Ellipsomicroscopy for Surface Imaging" (EMSI), "Reflection Anisotropy Microscopy (RAM), "Fourier Transform Infrared Imaging (FTIR Imaging), and "Infrared Thermography " (IRT). For EMSI the improvement of the image contrast allowed the surface reconstruction to be imaged indirectly for the first time. The observation of a so-called "memory" effect on Pt(110) gained new insight into the mechanisms of CO oxidation. Due to the thermal activated lifting of the surface reconstruction reconstructed patches on a non-reconstructed surface could be observed over an extended period of time. Detailed studies of the contrast mechanism of EMSI and RAM accomplished a more thorough understanding of the two methods. With the achieved knowledge a temperature regime was found, in which the adsorbate coverage and the surface reconstruction could be imaged independently for the first time. Studies of CO oxidation on Pt(100) in the mbar pressure range showed the formation of a thermal and chemical stable surface oxide, which was promoted by the surface reconstruction. Global oscillations in surface temperature and the formation of temperature patterns were observed for the first time for CO oxidation on polycrystalline platinum in the mbar pressure range. These temperature changes could be explained by the periodic formation and reduction of an surface oxide. Furthermore with RAM individual crystallites of a polycrystalline surface were imaged and identified as (110)-patches for the first time. Besides CO oxidation on platinum EMSI was also successfully employed to image microstructured xylyl dithiol monolayers on GaAs. Employing the optical techniques gained new insight into CO oxidation on platinum. The measurements on Pt(100) and polycrystalline platinum are a first step towards bridging the pressure gap and at the same time prove the pressure independence of the optical methods. The observed oxide formation demonstrates the pressure dependence of catalytic reactions.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-1151
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/510
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-213
Exam Date: 19-Oct-2000
Issue Date: 20-Feb-2001
Date Available: 20-Feb-2001
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Catalysis
Ellipsometry
Surface chemical reaction
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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