Dynamik der Bildung und Redispersion von Clustern auf Ceroxid-Trägern - von den Grundlagen zur Steuerung katalytischer Prozesse

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Friedrich Esch; Professor Dr. Ulrich Heiz
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569736450

In diesem Projekt wird die Dynamik der Clusterdiffusion, -bildung und -redispersion auf Ceroxidträgern mit Hilfe hochentwickelter schneller Rastertunnelmikroskopie (STM)-Methoden untersucht – mittels schneller STM-Filme und Cluster-Tracking. Als katalytisch relevanten Träger wählen wir Ceroxid, ein reduzierbares Oxid, das die Fähigkeit aufweist, redox-aktiv sowohl als Elektronen-, als auch als Sauerstoffpuffer zu agieren, das gleichzeitig eine geringe Tendenz zur Einkapselung geträgerter Teilchen aufweist, aber geladene atomare Spezies an Stufen einbauen und darüber Partikel redispergieren kann. Während diese Eigenschaften und die katalytische Aktivität mit integralen und lokalen Methoden gut untersucht wurden, um grundlegende Konzepte zu formulieren, bleibt die Dynamik der Transformationsprozesse auf der atomaren Skala weitgehend unerforscht. Zu diesem Zweck sind Messungen erforderlich, die eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung (bis in den ms-Bereich) mit einem präzisen Zugang zu verschiedenen Träger-Morphologien (Leerstellen- und Stufenverteilung) und einer atomar präzisen Kontrolle der Größe der deponierten Cluster kombinieren, unabhängig von ihrer Bedeckung. Nur so lassen sich bestimmte Größen transienter, besonders stabiler oder diffundierender Spezies identifizieren und mit bestimmten Eigenschaften und Träger-Morphologien in Verbindung bringen. Wir untersuchen den Einfluss der lokalen Umgebung auf die Diffusionspfade von Clustern, deren Fluxionalität bei der Diffusion, die damit verbundenen Aktivierungsenergien und die durch Adsorbate und Redoxprozesse an der Grenzfläche induzierte Cluster-Mobilität. Wir verfolgen fünf Forschungsziele von hierarchisch aufsteigender Komplexität, nämlich: (i) die Dynamik des Ceroxid(111)-Trägers, (ii) die Mobilität von Au-Adatomen, (iii) die Mobilität reiner Pt-Cluster, (iv) die zyklische Umwandlung von Pt-Clustern in redispergiertes Pt2+ an Stufen, und (v) die Dynamik von geträgerten Pt-Clustern in reaktiven Gasumgebungen. Dieses Projekt wirft erstmals Licht auf die dynamischen Zwischenstufen bei der Redox-induzierten zyklischen Bildung und Redispersion aktiver Partikel in der Katalyse, auf begleitende Spillover-Phänomene und die reversible Sauerstoffspeicherung in reaktiven Gasumgebungen, sowie auf die Modulation des Oxidationszustands diffundierender Atome und Cluster. Die dafür erforderliche einzigartige experimentelle Infrastruktur ist derzeit nur in unserem TUM-Labor verfügbar. Wir gehen davon aus, dass die gewonnenen Erkenntnisse auch zur Beschreibung der Dynamik von strukturell komplexeren Cluster-Katalysatoren auf Pulvern in der Praxis beitragen werden, sowohl zur dynamischen Bildung und Redispersion der Cluster, als auch zur Verknüpfung mit deren katalytischer Aktivität. Die Erkenntnisse werden auch zur künftigen theoretischen Modellierung beitragen, indem sie den zu überspannenden Parameterraum erheblich reduzieren, was über den speziellen Fall der Ceroxidträger hinaus bedeutend sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen