Ab initio-Beschreibung der Reaktionskinetik an Realstrukturen der heterogenen Katalyse

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In dem beantragten Projekt soll eine Theorie der Kinetik der heterogenen Katalyse entwickelt werden, in der die Umgebung mit realistischen Partialdrücken sowie die Temperatur und die Koexistenz verschiedener Oberflächendomänen und verschiedener Materialien berücksichtigt werden. Hierbei geht es nicht um eine nachträglich Modellierung bereits bekannter Experimente unter Verwendung empirischer, effektiver Parameter. Vielmehr soll eine Theorie der Reaktionskinetik entwickelt werden, die Vorhersagepotential besitzt und die auf Parametern mit mikroskopisch korrekter Bedeutung fußt. Diese Parameter (Vorfakoren, Energiebarrieren, etc.) werden mit Hilfe der DichtefunktionalTheorie (DFT) bestimmt. Zunächst sind verschiedene konzeptionelle Probleme zu lösen, um die Skalierung von Zeit, Länge, Temperatur und Druck zu bewältigen. Getestet werden soll diese theoretische Entwicklung am Beispiel der Oxidations-Katalyse an Ruthenium (zum Teil auch Rh), da hier detaillierte Experimente (auch für technologisch realistische Temperaturen und Drücke) z.B. im Rahmen dieses Projektes (von Dr. A. Böttcher) und im Projekt Muhler/Over geplant sind. Es sollen deshalb (parallel zum großen Ziel (Entwicklung einer ab initio-Reaktionskinetik]) in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen die O2-Dissoziation sowie die Bildung von Hochdruck-Sauerstoff-Phasen der Oberfläche und von Oberflächenoxiden und die entsprechende Oberflächen-Reaktivität analysiert werden. Ferner sollen die Adsorption und Desorption sowie die Diffusion von O und CO auf der durch mesoskopische Domänen (z.B. Ru, O/Ru und RuO2) geprägten Realstruktur der Oberfläche berechnet werden. Im Gegensatz zu bisher in der Oberflächenpyhsik typischen Studien, die sich auf die Identifizierung und Charakterisierung stabiler Geometrien oder auf Elementarschritte der Dynamik konzentrieren, wird von uns die Wichtigkeit einer ganzheitlichen Beschreibung aller miteinander konkurrierenden Prozesse auf einem realistischen Substratmaterial betont. Dazu wird das globale Wechselspiel der vielen Einzelprozesse während einer fortlaufenden katalytischen Reaktion mittels statistischer Methoden berücksichtigt (z.B. kinetische Monte Carlo-Methode (kMC) oder "smart" MC), während quasi simultan dazu die Details der elektronischen Struktur mittels DFT und moderner Superzellenverfahren sowie DFT-Molekulardynamik berechnet werden.