Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-467
Main Title: Adsorption studies on RuO2(110) and Ru(11-21) surfaces
Translated Title: Studien zur Adsorption auf RuO2(110)- und Ru(11-21)-Oberflächen
Author(s): Fan, Chaoyang
Advisor(s): Richter, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden Studien zur Adsorption und zur Oxidation von CO auf RuO2(110)- und Ru(11-21)-Oberflächen durchgeführt. Verwendet wurden dabei Schwingungsspektroskopie (HREELS) und Thermodesorptions-Spektroskopie (TDS). Die letztere Methode erlaubt, Aussagen über die Bindungsstärke von Adsorbaten zu machen. RuO2(110)-Ausgangsoberflächen wurden präpariert, indem eine Ru(0001)-Oberfläche einer O2-Dosis von 107 L bei 700 K ausgesetzt wurde. Diese Oberfläche wird von koordinativ ungesättigten O- (O-bridge) und Ru-Atomen (Ru-cus) terminiert. Mittels weiterer O-Zugabe kann eine O-reiche Oberfläche präpariert werden, bei der die zusätzlichen O-Atome (O-cus) auf Ru-cus adsorbieren. Bei 85 K adsorbiert CO auf Ru-cus (CO-cus). Im Gegensatz dazu reagiert CO bei 300 K mit O-bridge zu CO2. Weiter hinzukommende CO-Moleküle adsorbieren auf den durch Abreaktion von O-bridge freigewordenen Ru-bridge-Atomen (CO-bridge). CO kann mit der Ausgangs- und der O-reichen RuO2-Oberfläche reagieren. Zwei Reaktionskanäle werden identifiziert: Reaktion von CO mit O-cus und mit O-bridge. Dabei wird CO zu CO2 oxidiert und verlässt die Oberfläche. An diesen Reaktionen nimmt nur der Oberflächensauerstoff teil. Die abreagierte (reduzierte) Oberfläche kann durch O2-Zugabe bei 300 K regeneriert werden. RuO2(110) + O2 + CO stellt daher ein bemerkenswertes Redoxsystem dar, das sogar bei 300 K und unter Gleichgewichtsbedingungen arbeitet. Weiterhin wird eine auffällige Ähnlichkeit zwischen kinetischen Daten gefunden, die an RuO2(110) bei 10-7 mbar und an RuO2-Partikeln auf SiO2-Trägerkatalysatoren gewonnen wurden. Damit kann gezeigt werden, dass eine ursprünglich als "Drucklücke" bezeichnete Diskrepanz bei der CO-Oxidation an Ru tatsächlich eine "Materiallücke" ist. Diese Lücke kann in dieser Arbeit überbrückt werden. Ausserdem wurden die H- und CO-Adsorptionen an Ru(11-21) untersucht. Drei H-Zustände, ?-, ?- und ?-H, wurden gefunden. Bei Sättigung wird auf eine Belegung der Einheitszelle mit drei H-Atomen geschlossen. Es wird vorgeschlagen, dass ?-H und ?-H auf Dreifachplätzen und ?-H auf einem Vierfachplatz adsorbiert sind. Bei kleiner Bedeckung adsorbiert CO an Ru(11-21) auf Ontop-Plätzen. Bei hoher Bedeckung wird CO teilweise zur Seite gedrängt; dabei bleibt es zum Teil linear gebunden, sitzt aber zum Teil auch auf Brückenplätzen. Etwa 20 % CO können auch dissoziieren. Diese Menge an dissoziiertem CO wird durch den "bonding competition"-Effekt zwischen benachbarten CO-Molekülen erklärt.
Adsorption and oxidation studies were performed on RuO2(110) and Ru(11-21) surfaces by using vibrational spectroscopy (HREELS) and thermal desorption spectroscopy (TDS). By using the latter method, information on the bonding strength of adsorbates can be derived. Bare RuO2(110) surfaces were prepared by exposing 107 L O2 to Ru(0001) at 700 K. The bare RuO2(110) surface is terminated by coordinatively unsaturated O (O-bridge) and Ru (Ru-cus) atoms. By exposure of oxygen, a weakly bonded atomic oxygen called O-cus can be adsorbed at Ru-cus, creating a more O-rich surface. At 85 K, CO adsorbs at Ru-cus and is called CO-cus. In contrast, at 300 K, CO reacts with O-bridge first, and is then attached to the Ru underneath O-bridge; it is therefore called CO-bridge. CO is found to be able to react with the bare and the O-rich RuO2(110) surface. Two reaction channels are identified: CO may react with O-cus or with O-bridge. For the exposure values applied, only surface oxygen takes part in the CO oxidation. The oxygen depleted surface can be restored by O2 exposure at RT. Thus RuO2(110) + O2 + CO turned out to be a remarkable surface redox system operating at 300 K. This system is able to work under steady-state conditions. A remarkable agreement of the kinetic data was found between the RuO2(110) single crystal surface, typically operated at 10-7 mbar pressure, and small supported RuO2 particles working at atmospheric pressure. It is demonstrated that the former "pressure gap" in CO oxidation on Ru actually is a "material gap" which could be bridged in the present thesis. Hydrogen and CO adsorption on Ru(11-21) were studied. Three adsorption states of hydrogen, ?-, ?- and ?-H were observed. At high coverage, three H atoms are suggested to be squeezed into one unit cell, in which ?-H is adsorbed at fourfold symmetric sites, while ?- and ?-H are adsorbed at pseudo-threefold sites. For low coverage CO is adsorbed on Ru(11-21) at on-top sites. For high coverage CO forms a compression phase, in which some CO molecules are somewhat shifted away from the on-top sites but remain linearly bonded to the substrate, and additional CO adsorbs on bridge sites, similarly as on Ru(10-10). About 20 % CO can also be dissociated. The dissociation of CO is mainly determined by the CO occupation at the neighboring unit cells. This is explained here by the so-called "bonding competition" effect between CO in neighboring unit cells.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-3697
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/764
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-467
Exam Date: 28-May-2002
Issue Date: 15-Jul-2002
Date Available: 15-Jul-2002
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Adsorption
Oxidation
Ru(11-21)
RuO2(110)
Zerfall
Adsorption
Dissociation
Oxidation
Ru(11-21)
RuO2(110)
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