Ceroxid ist ein Seltenerdoxid mit vielfältigen katalytischen Eigenschaften, die für viele industrielle Anwendungen genutzt werden. Das katalytische Verhalten von Ceroxid basiert auf seiner Fähigkeit, Sauerstoff aufzunehmen und wieder freizusetzen, indem es seinen Oxidationszustand reversibel zwischen Ce4+ und Ce3+ wechselt. Das Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung epitaktischer, mikroskopischer, wenige Monolagen dicker Ceroxidinseln mit (111) und (100) Terminierungen der Kristalloberflächen, präpariert auf Kupfereinkristallen. Diese Ceroxidinseln dienen als Modellsystem für katalytische Oxidations- und Reduktionsreaktionen. Die Entstehung von CeO2 Inseln beider Oberflächenorientierungen und deren unterschiedliches Reduktionsverhalten wurden gleichzeitig, in-situ und in Echtzeit sowie unter identischen Bedingungen mit niederenergetischer Elektronenmikroskopie und Photoemissionsmikroskopie beobachtet. Experimente zum Reduktionsverhalten von CeO2 (111) und (100) orientierten Inseln wurden mit zwei verschieden Vorgehensweisen durchgeführt: Die Reduktion in einer Wasserstoffatmosphäre und die Reduktion durch Deposition von metallischem Cer auf die ursprünglich präparierten Inseln. Dabei stellte sich heraus, dass in beiden Fällen die (100) orientierten Inseln stärker reduziert wurden als die (111) Inseln. Die Analyse der Reduktionskinetik für die Ceroxidreduktion in Wasserstoff zeigte eine insgesamt höhere Reduzierbarkeit der (100) terminierten Ceroxidoberfläche. Diese höhere Reduzierbarkeit wird nicht durch einen Unterschied in der Kinetik für die zwei Oberflächenterminierungen sondern durch einen Unterschied in der Thermodynamik verursacht. Dies zeigt, dass die Oberflächenorientierung von Ceroxid einen starken Einfluss auf seine katalytischen Eigenschaften hat, was mit Vorhersagen durch Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie übereinstimmt. Ein Reduktionsexperiment ...
Titelaufnahme
Cerium oxide is a rare earth metal oxide with versatile catalytic properties used for many industrial applications. The catalytic behavior of cerium oxide is based on its ability to store and release oxygen by reversibly changing its oxidation state between Ce4+ and Ce3+. The topic of this thesis is the examination of epitaxial, micrometer-sized, a few monolayers thick cerium oxide islands with (111) and (100) crystal surface terminations, prepared on copper single crystalline substrates. These cerium oxide islands serve as model systems for catalytic oxidation and reduction reactions. The formation of CeO2 islands of both surface orientations and their different reduction behaviors were observed simultaneously, in-situ, in realtime and under identical conditions with low energy and photoemission electron microscopy and X-ray absorption spectroscopy. Experiments on the reduction behavior of CeO2 (111) and (100) oriented islands were performed using two different approaches: the reduction in a hydrogen atmosphere and the reduction by deposition of metallic cerium in vacuum on top of the originally prepared islands. It was found that the (100) oriented islands became more reduced than the (111) islands in both cases. Analyzing the reduction kinetics of the cerium oxide reduction in hydrogen showed an overall higher reducibillity of the (100) terminated cerium oxide surface, which is not caused by a difference in kinetics between the two surface terminations but by a difference in thermodynamics. This demonstrates that the surface orientation of cerium oxide has a strong effect on its catalytic properties, which is in agreement with predictions by density functional theory calculations. A reduction experiment in hydrogen atmosphere was also performed on a platinum/ cerium oxide system, which was prepared by the deposition of Pt on top of CeO2 (111) and (100) islands. The observed formation of highly ...
