Ruthenium als Oxidationskatalysator: Kinetische, spektroskopische und strukturelle Untersuchungen an metallischen und oxidischen Realkatalysatoren und Einkristalloberflächen

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Die katalytischen Eigenschaften von Ruthenium bei Oxidationsreaktionen hängen entscheidend vom Sauerstoffpartialdruck und der Temperatur ab, da je nach Reaktionsbedingungen ein komplexes Wechselspiel zwischen einer Fülle von Sauerstoff-Spezies auftritt. Dazu zählen chemisorbierter atomarer Sauerstoff auf metallischem Ru, im Volumen gelöster atomarer Subsurface-Sauerstoff und in Rutheniumdioxid eingebauter bzw. darauf adsobierter Sauerstoff. Es sollen drei Oxidationsreaktionen sowohl im Ultrahochvakuum (UHV) als auch bei Drücken größer 1 mbar untersucht werden: Die Oxidation von CO zu CO2, deren Reaktionsgeschwindigkeit stark vom Sauerstoffbedeckungsgrad abhängt, die oxidative Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd, deren Selektivität zu Ch2O mit steigendem oxidischen Charakter von Ru zunimmt, und die endotherme CO2-Reformierung von CH4 zu Synthesegas (CH4 + CO2 = 2 CO + 2 H2), für die Ru hochaktiv ist. Zur Überbrückung der Materiallücke werden Ru- und RuO2-Einkristalloberflächen, polykristalline Ru-Filme, Ru-Metallpulver und auf MgO geträgertes RU (Ru/MgO) untersucht. Höchstreines Ru-Metallpulver als Vollkatalysator stellt dabei das Bindeglied zwischen geträgerten polykristallinen Ru-Nanopartikeln und wohlgeordneten Ru/RuO2-Einkristallen dar. Zur Bestimmung der Elementarschrittkinetik an den Realkatalysatoren wird ein Pulsreaktor (TAP-Reaktor, temporal analysis of products) eingesetzt, der sowohl im Hochvakuum als auch bei atmosphärischem Druck arbeiten kann. Die Charakterisierung der Realkatalysatoren erfolgt mit der Infrarot-Spektroskopie (FTIR), die im Hochvakuum in Transmission und bei atmosphärischem Druck in diffuser Reflexion (DRIFTS) angewandt wird, um molekulare Adsorbate (z.B. COads, CHxads, CH3Oads) und deren Beeinflussung durch Koadsorbate als Funktion der Partialdrücke und der Temperatur zu detektieren. Im Bereich der Einkristalluntersuchungen soll insbesondere die oxidative Dehydrierung von Methanol zu Formaldehyd auf den sauerstoffvorbelegten Ru(0001)-Oberflächen (variable O-Konzentration: 0.25 ML - 10 ML) bis hin zu Rutheniumoxiden unter UHV-Bedingungen hinsichtlich atomarer Struktur, Morphologie, Reaktivität und elektronischer Struktur untersucht werden. Die verwendeten Techniken umfassen die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED), hochauflösendes LEED (SPALEED), Oberflächenröntgenbeugung (SXRD), Thermodesorptionsspektroskopie (TDS) und Photoelektronenspektroskopie (UPS, XPS), deren Ergebnisse durch begleitende Dichtefunktional-Theorie (DFT-GGA)-Rechnungen unterstützt werden sollen. Durch die Verwendung eines Mikrokapillar-Dosers, eines Transfersystems zwischen UHV-Kammer und einer Hochdruckzelle sowie durch in situ-EXAFS/NEXAFS-Messungen in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Schlögl soll die Drucklücke vollständig überwunden werden.