Charakterisierung der katalytischen Aktivität metallischer Nanopartikel über die Austrittsarbeit

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Reichling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391170465

Wir werden zeigen, dass durch eine Kombination aus Nichtkontakt-Raster-Kraftmikroskopie (NC AFM) Und Kelvin-Sondenmikroskopie (KPFM) eine Quantifizierung von Adsorptions- und Desorptionseigenschaften von Gasen, die in der heterogenen Katalyse von Bedeutung sind, an metallischen Nanopartikeln möglich ist. Die Untersuchungen erfolgen auf der Ebene einzelner Nanopartikel, wobei die Parameter Partikelgröße, Partikelzusammensetzung und Substrattemperatur sowie der Einfluss des oxidischen Trägers auf die untersuchten Eigenschaften berücksichtigt werden. Weiterhin werden wir zeigen, dass KPFM in der Lage ist, die Phänomene der Verunreinigung von Partikeloberflächen und Lösung von Gasen im Partikel zu quantifizieren.Während NC-AFM dazu benutzt werden wird, die Struktur und Morphologie der Oberfläche zu charakterisieren, die durch die Größe, Gestalt, Verteilung und das Sintern der Nanopartikel bestimmt werden, wird KPFM dazu eingesetzt, die Austrittsarbeit einzelner Nanopartikel zu messen, die ein quantitatives Maß für die Adsorption oder Lösung von Gasen auf/im Nanopartikel ist. Die Techniken werden als kalibrierte Werkzeuge für die Charakterisierung von Systemen in der heterogenen Modellkatalyse entwickelt. Die lokale Analyse mittels NC-AFM und KPFM wird unterstützt durch Messungen mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) um Spezies auf der Oberfläche zu identifizieren und den globalen Wert für die Austrittsarbeit zu bestimmen. Die experimentellen Untersuchungen werden durch Dichtefunktionalrechnungen (DFT) unterstützt, die Adsorptionseigenschaften und Austrittsarbeiten vorhersagen können. Das herausfordernde Endziel ist es, einfache Reaktionen an einzelnen Nanopartikeln zu studieren, insbesondere die Oxidation von CO und die Hydrogenierung von Kohlenwasserstoffen.Im Projekt werden wir uns zunächst auf reine Nanopartikel aus Metallen der Platingruppe fokussieren, insbesondere auf Palladium (Pd) und Gold (Au), die üblicherweise in der industriellen Katalyse eingesetzt werden. Weiterhin werden wir bimetallische Nanopartikel aus Pd und Au untersuchen. Im Laufe des Projekts werden wir möglicherweise auch die Metalle Fe, Co und Cu einbeziehen. Als Substratmaterial werden ultra-dünne und dicke Ceroxid-Filme zum Einsatz kommen.Wir werden die Adsorption und Desorption von Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff und einfachen Kohlenwasserstoffen ( z.B. Ethylen) im Detail untersuchen; das sind Spezies, von denen wir wissen, dass sie auf Metallpartikeln wie Pd-Partikeln adsorbieren. Die Kontaminationsexperimente werden auf die Verunreinigng und Lösung von Kohlenstoff fokussiert sein, da das für katalytische Reaktionen, wie die Hydrogenierung von Kohlenwasserstoffen, die Fischer-Tropsch-Reaktion sowie die Synthese von Kohlenstoff-Nanostrukturen wie Graphen und Nanoröhren höchst relevant ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Clemens Barth